Цинк вместо лития: 3D-печать увеличила ёмкость батареи в семь раз
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали гибридную цинк-ионную батарею, напечатанную на 3D-принтере. Она способна хранить более чем в семь раз больше энергии по сравнению с аналогичными устройствами. Команда полагает, что технология в будущем поможет накапливать энергию от возобновляемых источников, таких как солнечные и ветровые электростанции.
В отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, гибридная цинк-ионная батарея сочетает в себе свойства и аккумулятора, и суперконденсатора. Это позволяет ей накапливать большой объём энергии и быстро её отдавать. В таких батареях используется цинк — материал, который дешевле, доступнее и значительно безопаснее лития. Цинковые элементы меньше подвержены перегреву, что делает их перспективными для систем хранения энергии в «зелёной» энергетике, где низкая стоимость и долговечность важнее компактности. Главной проблемой оставалась недостаточная энергоёмкость, необходимая для конкуренции с литий-ионными аналогами.
«Будущее накопления энергии не будет определяться какой-то одной технологией, — заявил Махер Эль-Кади, соавтор исследования и ассистент-исследователь на факультете химии и биохимии UCLA. — В определённый момент нам нужно будет найти что-то, что дополнит существующие варианты для хранения энергии в масштабе сети. В ходе этого исследования мы получили цинк-ионные гибридные устройства, ёмкость которых выросла почти на порядок».
Новый подход к конструкции электрода
Вместо разработки нового химического состава команда UCLA перепроектировала один из ключевых узлов батареи — электрод. Исследователи напечатали лёгкую решётчатую структуру на 3D-принтере Elegoo Mars 3 Pro. После печати заготовку подвергли высокотемпературной термообработке, превратив её в проводящий углеродный каркас. Этот каркас выступает в роли электрода. На него затем нанесли оксид ванадия — материал, непосредственно отвечающий за хранение и высвобождение энергии.
Благодаря миллиардам микроскопических пор в решётке обеспечивается огромная внутренняя площадь поверхности. При этом остаётся достаточно пространства для свободного перемещения ионов цинка внутри батареи. Рик Канер, ещё один соавтор и профессор химии, биохимии и материаловедения UCLA, пояснил: «Метод, который мы использовали, позволяет построить любой трёхмерный каркас, слой за слоем, и контролировать его микроструктуру. Мы можем получить миллиарды и миллиарды крошечных отверстий, создавая огромную внутреннюю площадь поверхности. А это значит, что мы можем хранить огромный заряд».
По данным исследователей, такая конструкция позволила батарее запасать в семь раз больше энергии по сравнению с аналогами. При этом устройство сохранило 82% своей первоначальной ёмкости после 1500 циклов зарядки и разрядки.
Не только аккумулятор
Исследование описывает и второе нововведение, ставшее возможным благодаря аддитивным технологиям. Команда спроектировала герметичную испытательную ячейку для электрохимических тестов. Она была разработана в системе Onshape и напечатана на принтере Bambu Lab X1 Carbon из прозрачного филамента. Устройство предназначено для измерения характеристик экспериментальных батарей. Исследователи отмечают, что оно превосходит один из наиболее распространённых лабораторных методов тестирования. Вместо создания уникального испытательного оборудования для каждого эксперимента, учёные смогут использовать стандартную конструкцию для более точного сравнения новых технологий.
Литий остаётся в центре внимания, но цинк — более дешёвая, доступная и безопасная альтернатива. Именно поэтому исследователи давно рассматривают цинковые батареи как подходящее решение для солнечных и ветровых электростанций, где низкая стоимость и длительный срок службы важнее миниатюрности. Главным препятствием была недостаточная энергоёмкость. Команда UCLA считает, что их новая 3D-печатная конструкция способна это изменить.
«Это концепция, которая, как мы надеемся, будет полезна другим исследователям, помогая им получать более точные и воспроизводимые данные для своих устройств, — отметил София Уэмура, первый автор исследования и недавний выпускник докторантуры UCLA. — Одна из замечательных черт 3D-печати — её доступность. В нашем случае любой, у кого есть доступ к 3D-принтеру, сможет изготовить такую тестовую ячейку и адаптировать её под свои задачи».
Применение в России и СНГ
Разработка UCLA представляет практический интерес для российского энергетического сектора. В условиях активного развития возобновляемой энергетики, а также для обеспечения автономных объектов и резервного питания промышленных предприятий, накопители энергии на основе цинка выглядят привлекательной альтернативой литий-ионным системам. Цинк не требует сложной логистики и более безопасен при утилизации, что снижает эксплуатационные риски. Сама методология — 3D-печать электродов с контролируемой пористостью — открывает путь к созданию более эффективных отечественных накопителей. Российские инженерные центры и научные группы, работающие в области материаловедения и аддитивных технологий для энергетики, уже имеют компетенции для воспроизведения и адаптации этого подхода к доступным материалам и оборудованию. Наибольший потенциал применения технологии — в секторе стационарных накопителей для солнечных станций и систем бесперебойного питания телекоммуникационного оборудования в удалённых регионах. Кроме того, стандартизированный 3D-печатный тестовый стенд может быть внедрён в лаборатории исследовательских институтов и университетов, занимающихся разработкой новых типов аккумуляторов.
