Ученые нашли способ избавиться от дендритов в цинковых батареях

Параллельно с развитием возобновляемой энергетики растет потребность в масштабных хранилищах электроэнергии. Для перехода на углеродно-нейтральную экономику, о котором заявили лидеры промышленно развитых стран, необходимо найти способ запасать электричество, полученное от солнечных или ветровых станций, в течение нескольких часов или дней, а затем отдавать обратно в сеть. Литий-ионные батареи слишком дорогие и не слишком долговечные для этого. В отличие от цинковых.

Цинк – нетоксичный, дешевый и распространенный металл. Цинковые батарейки имеют хождение десятки лет. Не так давно появились и цинковые аккумуляторы, но у них ограниченная емкость. Кроме того, развивается технология проточных цинковых батарей. Но она требует более сложных клапанов, насосов и цистерн. Поэтому ученые работают над третьим вариантом – цинк-воздушными батареями.

В них электролит на водной основе с каплей гидроксида калия или другого щелочного материала отделяет цинковый анод и катод из какого-нибудь другого проводящего вещества, чаще всего, пористого углерода. В ходе разряда кислород в воздухе вступает в реакцию с водой у катода, образуя ионы гидроксида, которые мигрируют к аноду, где вступают в реакцию с цинком, чтобы в конце концов создать оксид цинка. Эта реакция выделяет электроны, текущие от анода к катоду через внешнюю цепь. При зарядке аккумулятора направление потока меняется.

Однако в обратном направлении цинковые батареи работают хуже, пишет Science. Неравномерности на поверхности анода повышают интенсивность электрического поля в определенных точках, что приводит к отложениям цинка. Цикл повторяется, и начинают формироваться дендриты, которые, в итоге, вызывают короткое замыкание. Вода в электролите тоже может вызывать проблемы, расщепляясь на кислород и водород, что может привести к взрыву элемента питания.

Специалисты из Университета Мэриленда (США) нашли способ избавиться от угрозы дендритов в цинковых батареях, добавив в электролит фтористые соли. В ходе реакции вокруг анода образовался твердый барьер из цинка и фтора. Он не мешал проходить ионам во время заряда и разряда, но не давал дендритам расти и отталкивал молекулы воды, мешая им приблизиться к аноду.

Разработчики отметили и недостатки конструкции – их цинковая батарея медленно разряжается. Для того чтобы это исправить, ученые хотят добавить в катод катализатор, который ускорит реакцию между кислородом и водой.