В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA) разработана цинк-ионная гибридная батарея с семикратным увеличением запасаемой энергии

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) с помощью аддитивных технологий создала 3D-печатный углеродный электрод, который позволяет увеличить ёмкость заряда цинк-ионных гибридных батарей более чем в семь раз по сравнению с существующими аналогами.

В исследовании, опубликованном в журнале Small, также представлена 3D-печатная тестовая батарея, предназначенная для повышения согласованности измерений производительности в исследованиях накопления энергии. Разработанная группой батарея представляет собой гибридное устройство, в котором один терминал функционирует как компонент накопления заряда, аналогичный традиционным литий-ионным батареям, а другой использует углеродный электрод, подобный суперконденсаторам. Суперконденсаторы, как устройства накопления энергии с быстрой зарядкой-разрядкой и потенциальным сроком службы в десятилетия, имеют основной недостаток: энергия хранится только на поверхности электрода, что ограничивает общую ёмкость.

Чтобы преодолеть это ограничение, команда UCLA применила процесс 3D-печати с использованием ультрафиолетового лазера и смолы для создания углеродного электрода с сотовой или губчатой внутренней структурой, пронизанной миллиардами микропор. После печати электрод подвергался нагреву и дегазации, оставляя только проводящий углерод с открытыми порами, а затем химическим способом загружался оксидом ванадия. Полученная площадь поверхности огромна: один грамм материала электрода, если его разровнять, может покрыть примерно десять теннисных кортов. Соавтор-корреспондент, выдающийся профессор химии и биохимии, а также материаловедения и инженерии UCLA Рик Канер (Ric Kaner) отметил, что этот метод позволяет послойно создавать любые 3D-каркасы и контролировать микроструктуру, а огромная внутренняя площадь поверхности, создаваемая множеством микроскопических отверстий, означает возможность хранения большого количества заряда.

Помимо повышения плотности энергии, устройство сохраняло 82% ёмкости после 1500 циклов зарядки-разрядки. Команда также указала, что цинк примерно в 100 раз более распространён, чем литий, и его относительно легче добывать и перерабатывать, что делает его более устойчивым химическим материалом для батарей по сравнению с литием. Соавтор-корреспондент, научный сотрудник кафедры химии и биохимии колледжа UCLA Махер Эль-Кади (Maher El-Kady) заявил, что будущее накопления энергии не будет определяться одной технологией, и представленное в исследовании цинк-ионное гибридное устройство, способное запасать почти на порядок большую ёмкость, может дополнить современные варианты накопления энергии в масштабах сети.

Исследование также представило 3D-печатную тестовую батарею, предназначенную для улучшения открытых колб, обычно используемых в лабораториях накопления энергии. Стандартные коммерческие стеклянные тестовые батареи стоят 1000 долларов или более, что заставляет большинство исследовательских групп полагаться на колбы, которые допускают испарение электролита и вносят вариативность в позиционирование электродов, влияя на точность измерений. Печатная батарея UCLA имеет герметичную верхнюю крышку и фиксированные пазы для электродов. В ходе испытаний стандартизированный углеродный электрод в печатной батарее сохранял 98% заряда после 1500 циклов, тогда как в традиционной открытой батарее он выходил из строя менее чем за 100 циклов. Первый автор, доктор София Уэмура (Sophia Uemura), недавно защитившая докторскую диссертацию в UCLA, отметила, что эта концепция помогает исследователям получать более согласованные результаты и надёжные данные, а доступность 3D-печати означает, что любой, у кого есть 3D-принтер, может изготовить аналогичную тестовую батарею и адаптировать её под свою работу. Исследование проводилось в сотрудничестве с учёными из Национального университета Цинхуа (National Tsing Hua University) на Тайване.