Ученые нашли способ, как делать безопасные и долгоиграющие аккумуляторы на основе цинка, которые при этом не будут быстро терять заряд, как обычные батарейки. Разработанная технология также доказала пользу быстрой подзарядки – чем выше сила тока, тем больше циклов перезарядки способны выдержать цинковые АКБ. К тому же они не горят и не взрываются, в отличие от литиевых элементов питания.
Группа шведских ученых из университета Чалмерса вместе с коллегами из Линчепингского и Карлстадского университетов разработали новую технологию, позволяющую создавать полноценные аккумуляторы на основе цинка. Они создали особый полимер, благодаря которому получилось сделать АКБ, которая не только не взрывается и не горит, в отличие от современных литиевых батарей, но также не боится быстрой подзарядки. Более того, в их случае она даже предпочтительнее медленной, что прямо противоположно литиевым элементам питания.
По заверениям разработчиков, цинковые аккумуляторы будут способы сохранить до 80% первоначальной емкости даже после 8000 циклов перезарядки, притом если использовать мощный блок питания, способный выдавать большую силу тока. Если же использовать менее мощные БП, то емкость новых цинковых аккумуляторов упадет до 75% уже после 2000 циклов перезарядки. Но это в любом случае лучше в сравнении с современными литиевыми аккумуляторами – они начинают стремительно терять свою емкость уже после нескольких сотен подзарядок, к тому же они очень чувствительны к температуре окружающей среды и длительному их неиспользованию.
Основная причина, по которой цинковые аккумуляторы, в отличие от обычных одноразовых батареек, не получили распространения, кроется в химии, точнее, в реакции цинка с водой в электролите. В при обычной температуре никакой реакции нет, но при повышенной происходит выделение водорода и появление оксида цинка, вследствие чего этот материал становится непригодным для дальнейшего использования в подзаряжаемом элементе питания. Также было отмечено, что процесс роста дендритов – древообразных «игл», которые появляются в любом аккумуляторе и растут по мере его зарядок от анода к катоду – в цинковых АКБ происходит намного быстрее, чем в литиевых. Как только дендриты достигнут своей цели, аккумулятор выйдет из строя.
Шведские ученые придумали, как решить эти проблеми. Она создали специальный «водо-полимерный солевой» электролит (Water-in-Polymer Salt Electrolyte, WiPSE) на основе полиакрилата калия, который в итоге и стал ключом к созданию полноценного цинкового аккумулятора – реакции цинка с водой в таком полимере нет. Такой аккумулятор, к тому же, способен держать заряд намного дольше, нежели обычные одноразовые батарейки. Попутно использование WiPSE решило проблему быстрого роста дендритов.
На момент выхода материала специалисты шведских университетов, создавшие стабильный цинковый аккумулятор, не называли сроки коммерциализации своей технологии. В настоящее время им удалось создать лишь крошечных размеров элемент питания в качестве тестового и демонстрационного образца.
Впрочем, по их мнению, цинковые аккумуляторы с водно-полимерным электролитом WiPSE вполне могут быть самых разных размеров – от небольших, для применения, например, в носимой электронике, до крупногабаритных. Такие уже можно будет установить в электромобиль вместо взрывоопасных литиевых.
Также ученые не могли обойти стороной вопрос экологии. По их словам, цинковые аккумуляторы в разы более безопасны для природы, нежели литиевые – это заявление они подкрепили тем, что более 99% цинка из отработавшего свой срок элемента питания можно переработать для повторного использования.
Литиевые аккумуляторы имеют больше недостатков, чем достоинств. Они быстро выходят из строя, им противопоказаны холод и жара, самого лития на планете не так уж много, а повторная переработка сделанных из него АКБ в подавляющем большинстве случаев экономически невыгодна, а иногда и вовсе невозможна.
Но самое главное – если уж литиевый элемент питания загорелся, то потушить его почти не представляется возможным, что на своем примере доказали многие владельцы электромобилей. В связи с этим ученые, работающие над альтернативными видами аккумуляторов, стараются решить в первую очередь именно проблему быстрого возгорания литиевых АКБ. В последние годы они приходят к успеху все чаще – например, в апреле 2024 г. сообщалось о технологии натрий-ионных аккумуляторов.
Такие батареи во всем превосходят свои аналоги на основе лития – они легче, компактнее, в десятки раз безопаснее. К тому же они заряжаются за считанные минуты и крайне неохотно деградируют, то есть с течением времени их емкость почти не меняется. Помимо этого, их себестоимость ощутимо ниже.
Но, несмотря на все их преимущества, в мире пока нет массового производства натрий-ионных батарей, как и других, в основе которых нет лития. Поэтому другие ученые ищут способы, как сделать литиевые АКБ менее опасными.
Подвижки в этом тоже есть. В начале 2024 ученые из Китая и США создали специальный электролит, который не позволяет литию гореть. Что самое важное, в его основе лежат компоненты, которые можно приобрести в ближайшем строительном или хозяйственном магазине, что дает возможность наладить процесс выпуска безопасных литиевых элементов питания в кратчайшие сроки.