Новый цинк-ионный аккумулятор на воде прошёл 1000 циклов благодаря бамбуковому гидрогелю — ресурс коммерческого уровня
Китайские учёные разработали экологически чистый гидрогель на основе целлюлозы, полученной из бамбука, который позволяет решить проблему образования дендритов в водных цинк-ионных аккумуляторах. Разработка представлена исследователями из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу.
В процессе зарядки цинк-ионных аккумуляторов на поверхности электродов образуются кристаллические выросты, так называемые дендриты. Эти структуры могут проникать через внутреннюю мембрану, вызывая короткое замыкание и преждевременный выход аккумулятора из строя. Обычно коммерческие сепараторы из стекловолокна выходят из строя после 120 часов использования.
Вместо того, чтобы просто блокировать рост дендритов, новый гидрогель из бамбука действует как «молекулярное шоссе», ускоряя поток ионов цинка. Для создания структуры гидрогеля микрокристаллическую целлюлозу растворили в щелочной ванне с добавлением мочевины, а затем сшили полимеры с помощью буры (тетраборат натрия).
Полученная структура была усилена нановолокнами, полученными из бамбука, окисленными TEMPO. TEMPO (2,2,6,6-Тетраметилпиперидин-1-оксил) — стабильный нитроксильный радикал, используемый в органическом синтезе. Эти нановолокна толщиной всего 3 нм содержат большое количество карбоксильных групп, которые притягивают ионы цинка. Нановолокна выполняют двойную функцию: они укрепляют гель и ускоряют движение ионов цинка, создавая прямой химический путь. Скорость движения ионов цинка в новом материале почти вдвое выше, чем в стандартных растительных материалах.
Толщина плёнки составляет всего 1 мм, но она в четыре раза прочнее обычной целлюлозы, даже после воздействия химических веществ, используемых в аккумуляторах. В прямых испытаниях аккумуляторы с новым гелем проработали 1100 часов, в то время как аккумуляторы со стандартными коммерческими сепараторами — всего 120 часов. Новый гидрогель также хорошо выдерживает высокие токи и температуру 45 °C. При использовании в аккумуляторе гидрогель сохраняет около 80% своей ёмкости после 1000 циклов зарядки.
Анализ показал, что поверхность цинка, защищённая новым гелем, остаётся гладкой (Ra ≈ 52 нм), в то время как на поверхности аккумуляторов с жидким электролитом образуются шероховатые дендритные наросты (Ra ≈ 108 нм). Использованные материалы — целлюлозный порошок, бамбук и бура — являются дешёвыми и доступными. Производство 1 см2 «био-геля» обходится всего в 8% от стоимости стандартного коммерческого сепаратора.
После окончания срока службы аккумулятора мембрану можно полностью разложить с помощью фермента целлюлазы всего за четыре часа, что исключает необходимость утилизации опасных отходов. Гибкие аккумуляторные элементы с новым гелем сохраняют работоспособность даже при изгибе на 90 градусов под нагрузкой, что делает их пригодными для использования в «умной одежде» и носимой электронике. Учёные отмечают, что химия нового геля может быть адаптирована для натриевых или алюминиевых аккумуляторов.