Команда ученых под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала новое гибридное устройство для хранения энергии на основе цинка, электроды которого изготовлены с помощью 3D-печати. Плотность энергии устройства в семь раз превышает аналогичные показатели. Соответствующая статья опубликована в новом номере журнала Small.
Одна сторона нового устройства накапливает энергию, как традиционные литий-ионные аккумуляторы, а другая использует углеродный электрод, аналогичный суперконденсаторам. Использование цинка вместо лития для создания устройств хранения энергии будет более дешевым и устойчивым. Запасы цинка в земной коре в сто раз превышают запасы лития, его не только легко добывать, но и проще перерабатывать. Хотя суперконденсаторы накапливают меньше энергии, они заряжаются и разряжаются чрезвычайно быстро, а их ожидаемый срок службы может достигать десятилетий.
Узким местом суперконденсаторов является то, что энергия может оставаться только на поверхности электрода. В новом исследовании команда значительно повысила плотность энергии двумя способами: во-первых, значительно увеличив площадь поверхности углеродного электрода, а во-вторых, заполнив эти поверхности накопительным материалом — оксидом ванадия.
Чтобы увеличить площадь поверхности углеродного электрода, команда спроектировала его в виде сот или губки, заполненной крошечными полостями. Электрод был построен с помощью технологии 3D-печати: жидкая смола мгновенно затвердевает под воздействием ультрафиолетового лазера, формируя слой за слоем. Затем команда нагрела напечатанный объект для дегазации, оставив только проводящий углеродный каркас, полный открытых пор, после чего с помощью химического процесса загрузила оксид ванадия в эту структуру. Полученный компонент имеет огромную площадь поверхности: если спрессовать один грамм такого материала в тонкий лист, он покроет примерно 10 стандартных теннисных кортов, что позволяет ему накапливать огромное количество заряда.
Новое устройство не только накапливает в семь раз больше энергии, чем традиционные конденсаторы, но и сохраняет 82% емкости после 1500 циклов зарядки-разрядки.
Для хранения солнечной и ветровой энергии с целью удовлетворения растущего спроса на электроэнергию необходимы устройства, которые могут быстро заряжаться и разряжаться, быть недорогими и работать в течение десятилетий. Это новое устройство как раз удовлетворяет всем этим строгим требованиям.