У пошуках можливості накопичувати відновлювану сонячну та вітрову енергію в електричній мережі, щоб використовувати її в той час, коли сонце не світить і не дме вітер, вчені досліджують низку різних типів хімічних речовин для великих… масштабні батареї, які можна використовувати для зберігання в мережі.
Одного з кандидатів на цю хімічну батарею, яка називається водною цинково-іонною батареєю (AZIB), було визначено як перспективну технологію для мережевого зберігання, яка може допомогти максимально використати переваги відновлюваних джерел енергії. Основа доступності та безпечності AZIB покладається на використання цинку, основного сталого металу, як анодного матеріалу в комірці.
Порівняно з літієм у комерційних літій-іонних батареях, цинк міститься набагато більше в природі та має високу сумісність з водою, що дозволяє безпосередньо використовувати економічні, негорючі електроліти на водній основі.
Однак у новому дослідженні дослідників з Університету Ватерлоо, які працюють у складі Об’єднаного центру досліджень накопичення енергії зі штаб-квартирою Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE), вчені припустили, що численні твердження у відкритій літературі були помилково переоцінено, і що цинк-іонні батареї все ще стикаються з багатьма проблемами. Стаття, заснована на дослідженні, «До практичних водних цинк-іонних батарей для електрохімічного зберігання енергії» з’явилася в онлайн-виданні Joule 11 серпня.
«Цинковий анод забезпечує високу безпеку та низьку вартість водних цинк-іонних батарей, оскільки він стабільний з більшістю електролітів на водній основі», — сказала професор Університету Ватерлоо Лінда Назар, яка разом зі своїм аспірантом Чанг Лі є провідним автором дослідження. «Однак під час циклічного заряджання-розряджання цинк має тенденцію до зростання у вигляді випадкових гострих кристалів — так званих дендритів — які можуть легко спричинити коротке замикання під час заряджання акумуляторів. Хоча повідомлялося про багато стратегій розв’язання проблеми дендритів цинку, лише деякі з них вони можуть відповідати вимогам практичного застосування».
Проблеми також залишаються на стороні катода. За словами Назара, молекули води в електроліті на водній основі можуть спонтанно дисоціювати на гідроксид-іони та протони. У той час як протони конкурують з іонами цинку в процесі переміщення туди-сюди в матеріали катода батареї — процес, відомий як інтеркаляція, — іони гідроксиду, що залишилися, можуть поєднуватися з цинком. Ця реакція призводить до сполук, які називаються шаруватими подвійними гідроксидами цинку, які, за словами Назара, випадають в осад на поверхні катода та «виключають цинк із рівняння, ізолюючи поверхню в дуже шкідливій побічній реакції».
Головне питання, яке стоїть перед цинковими батарейками, на думку Назара, полягає в тому, як придушити активність води. Відповідь, за її словами, може полягати в неводному/водному гібридному електроліті, який може допомогти секвеструвати воду, запобігаючи її дисоціації. «Ці електроліти виявилися досить ефективними для забезпечення того, щоб введення іонів цинку домінувало в хімії», — сказала вона.
Назар виявив додатковий помітний недолік деяких досліджень, пов’язаних із цинковими батареями, стверджуючи, що дослідження, які проводили батареї з надзвичайно високою швидкістю циклу, як правило, базувалися на вставці протонів набагато більше, ніж на інтеркаляції цинку. «Надшвидка циклічна робота цинкових батарей не допоможе у великомасштабному сховищі», — сказала вона. «Ми намагаємося встановити рекорд — цикл лише з помірними швидкостями, а потім розробляємо електроліт, щоб запобігти дисоціації води».