Изображение сканирующего электронного микроскопа поверхности анода
Huajun Tian et al. / Nature Communications, 2021
Американские химики создали аккумулятор, в котором роль анода выполняет наноструктурированный электрод из сплава цинка с марганцем, а в качестве электролита используется морская соль с добавлением сульфатов цинка и марганца. Аккумулятор выдержал 100 часов испытаний зарядки и разрядки не образуя дендритов, а также оказался стабильным механически. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Большинство современных портативных электронных устройств работают на литий-ионных аккумуляторах. Однако их утилизация представляет собой сложную задачу за счет токсичности лития и электролитов. В качестве альтернативны органическим электролитам некоторые ученые предлагают использовать водные растворы минеральных солей. Такие аккумуляторы не воспламеняются и безопасны для экологии. А при модификации электродов распространенными в природе элементами вроде кислорода или серы, они становятся и высоко энергоемкими (до 500 Ватт-час на килограмм), что расширяет сферу их применения до электромобилей.
Однако в процессе нескольких циклов зарядки-разрядки у таких аккумуляторов из анода могут вырастать дендриты, которые, снижают эффективность работы батареи, а достигнув катода они приводят к короткому замыканию. Эту проблему решают, разрабатывая новые аноды и водные электролиты, однако эта область еще недостаточно развита, и экономически такие аккумуляторы пока невыгодны.
Хуацзюнь Тянь (Huajun Tian) с коллегами из Университета Центральной Флориды разработали аккумулятор с наноструктурированным анодом из биметаллических сплавов цинка с переходными металлами и электролита из морской воды. Авторы предположили, что минимизировать и подавить процесс образования дендритов поможет контроль кинетики и термодинамики электрохимической реакции на аноде. Термодинамика зависела от диффузии цинка в сплаве Zn3Mn: относительно высокая энергия связывания на поверхности сплава помогала располагаться кристаллам цинка равномерно, предотвращая образование направленных дендритов. Кинетика реакции зависела от трехмерной наноструктуры электродов: диффузия сквозь пористую трехмерную наноструктуру была для ионов цинка более предпочтительной, чем осаждение на поверхности.
Исследователи провели квантово-химические расчеты, чтобы оценить роль фазы сплава в образовании и росте кристаллов цинка. Оказалось, что взаимодействие между цинком и сплавом такое высокое, что делает фазу сплава идеальной матрицей для осаждения цинка.
Схематичное изображение восстановления цинка на цинковом аноде (сверху) и наноструктурированном аноде из сплава цинка с марганцем (снизу)
Huajun Tian et al. / Nature Communications, 2021
Анод получали методом электрохимического осаждения, который можно использовать также для получения сплавов различного состава, варьируя металлы, ток и время его протекания. Структуру и состав получаемых анодов авторы изучали методами энергодисперсионной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и ренгенодифрактометрии.
Основываясь на полученных микрофотографиях, авторы предположили, что электроосаждение включает соосаждение ионов марганца и цинка, а также образование и рост пузырьков водорода при электролизе воды, которые способствуют формированию пористой трехмерной структуры. Трехмерная микроструктура напоминала цветную капусту, что свидетельствует, по словам авторов, о наличии как микро-, так и нанопор на поверхности. Необычная структура сплава обеспечивала быструю диффузию ионов цинка в глубь анода.
Для проверки смачиваемости анода, авторы измерили контактный угол капли воды на поверхности, и обнаружили, что материал проявляет супергидрофильные свойства.
Чтобы оценить практическую применимость полученного анода, авторы собрали аккумулятор с водным электролитом из морской соли с добавлением сульфатов цинка и марганца, а также коммерчески доступным катодом из платины, графита и оксида рутения. Аккумулятор выдержал без разрушения циклы зарядки и разрядки в течение 100 часов при плотности тока десять миллиампер на квадратный сантиметр. Для сравнения, подобная система с анодом из чистого цинка не смогла функционировать спустя 48 часов испытаний. При повышении плотности тока в три раза, аккумулятор с анодом из наноструктурированного сплава цинка с марганцем смог выделять энергию плотностью почти 800 ватт-час на килограмм цинка.
Две батарейки с анодом из сплава цика с марганцем смогли привести в движение небольшой электропропеллер
Huajun Tian et al. / Nature Communications, 2021
Анод также оказался стабильным механически, выдержав давление в 80 мегапаскалей без изменений. Более высокие давления в 160 и 200 мегапаскалей сжали лишь верхние слои материала.
По словам авторов, предложенный способ получения и исследования наноструктурированных анодов подтолкнет развитие долговечных электродов для аккумуляторов с водными электролитами.
Литий-ионные аккумуляторы безусловно важное изобретение: современные
смартфоны, ноутбуки, электромобили и даже частично космические корабли питаются электроэнергией
от них. В позапрошлом году Джон Гуденаф, Стэнли Виттингхэм и Акира Ёсино
получили Нобелевскую премию за разработку
и развитие этого изобретения.
Алина Кротова