Учёные считают, что некоторые усовершенствования могут превратить воздушно-цинковые гальванические элементы в аккумуляторы будущего – эффективные, экологичные, экономичные и безопасные.
Воздушно-цинковые батареи состоят из катода, представленного газовым (воздушным) электродом, и цинкового анода. В качестве электролита в аккумуляторах данного типа выступают щелочные растворы. Ключевым недостатком подобных гальванических элементов является низкая химическая стабильность, выраженная в паразитных реакциях с электролитом, которые приводят к высыханию щелочного раствора либо к его въеданию в поры воздушного электрода. Воздушно-цинковые аккумуляторы отличаются более высокой энергоёмкостью, чем, например, у литий-ионных батарей, однако меньший срок эксплуатации препятствует их популяризации.
На базе лаборатории MEET Battery Research Center в Вестфальском университете имени Вильгельма международная исследовательская группа во главе с доктором Вэй Сунем разработала способ устранения всех технических недостатков воздушно-цинковых батарей путём изменения их химического состава. Подробное описание результатов интернационального проекта, в котором также приняли участие учёные из Фуданьского университета в Шанхае, Уханьского университета науки и технологии, Мэрилендского университета и Армейской исследовательской лаборатории США, были опубликованы в научном журнале Science.
Исследователи представили инновационный нещелочной водный электролит, благодаря которому химические процессы в воздушно-цинковых аккумуляторах станут обратимыми, что значительно продлит срок их эксплуатации. В основе электролита лежит соль трифторметансульфоната цинка Zn(OTf)2. Преимущество данного раствора заключается в том, что с ним цинковый анод не вступает в паразитные реакции. Кроме того, гидрофобное покрытие адсорбционного слоя воздушного катода устраняет необходимость в довольно медлительном процессе восстановления кислорода с четырьмя электронами. Вместо этого в игру вступают 2 аниона трифторметансульфоната, которые делают возможными обратимые циклы окислительно-восстановительных реакций ZnO2/O2. Как следствие, с водным электролитом воздушно-цинковые батареи работают гораздо стабильнее. В ходе лабораторных испытаний аккумуляторы на базе такого электролита сохраняли стабильность на протяжении 320 непрерывных циклов / 1600 часов.
Кроме того, электрохимический анализ и многоуровневые компьютерные симуляции показали, что химический механизм ZnO2/O2 с участием анионов трифторметансульфоната повысили плотность энергии, которая позволит воздушно-цинковым аккумуляторам конкурировать на рынке с литий-ионными батареями. По словам Вэй Суня, усовершенствованные воздушно-цинковые аккумуляторы представляют собой более дешёвый и безопасный способ хранения энергии. Впрочем, пока что технология ещё не готова к запуску в серийное производство и требует оптимизации.
