Одним из ограничений традиционных цинковых аккумуляторов остается нестабильность металлического цинкового электрода. Во время многократных циклов зарядки и разрядки на его поверхности могут образовываться неровные структуры — дендриты, вызывающие короткие замыкания и ускоренное разрушение батареи. Кроме того, неподвижный электрод постепенно теряет эффективность из-за побочных химических реакций и деградации межфазной поверхности.
Китайские ученые предложили заменить твердый цинковый электрод на циркулирующую суспензию из наночастиц цинка, взвешенных в проводящей жидкости. В такой конструкции цинк становится не фиксированным элементом батареи, а текучим носителем энергии, который постоянно перемещается между внешним резервуаром хранения и электрохимической ячейкой. Это позволяет разделить мощность системы и ее энергетическую емкость — при необходимости объем хранимой энергии можно увеличить простым расширением резервуаров.
Наночастицы цинка объединили с полой углеродной структурой и специальным электролитом, управляемым лигандами. Эти компоненты помогают предотвратить слипание частиц цинка, стабилизируют электрохимические реакции и позволяют материалу многократно переходить между металлической и ионной формами. По словам автора исследования Фэя Вана, главная идея разработки заключается в превращении цинка из «статического электрода в динамический носитель энергии».
Во время испытаний система показала кулоновскую эффективность 99,94%, что означает минимальные потери энергии при циклах зарядки и разрядки. Кроме того, цинково-марганцевые батареи, созданные на основе той же архитектуры, сохранили 81,1% первоначальной емкости после 5500 циклов.
Исследователи считают, что новая конструкция позволяет преодолеть основные проблемы цинковых суспензионных батарей — агрегацию частиц, нестабильность реакций и быстрое снижение производительности.
Разработчики рассматривают технологию прежде всего как решение для крупномасштабного хранения энергии от возобновляемых источников. Такие батареи могут использоваться на солнечных и ветровых электростанциях, аккумулируя избыточную электроэнергию и отдавая ее в сеть при снижении выработки. В дальнейшем команда планирует адаптировать лабораторную систему для практического применения, улучшить состав суспензии и изучить возможность создания аналогичных проточных батарей с другими жидкими металлическими носителями энергии.
