Кальциево-ионные аккумуляторы: эффективны и стабильны в течение 1000 циклов

Прорыв в ионной проводимости кальциевых батарей достигнут с использованием почти твердотельных ковалентных органических электролитов

Кальциево-ионные батареи могут представлять собой устойчивую альтернативу литий-ионной технологии. Эта возможность становится более конкретной сегодня благодаря новому исследованию, проведенному Гонконгским университетом науки и технологий. Здесь коллектив ученых создал агрегат с хорошей удельной емкостью, способный сохранять более 74% первоначального значения даже после тысячи циклов зарядки и разрядки. Заслуга принадлежит новому «рецепту», который предполагает производство и использование электролитов внутри клетки почти в твердом состоянии.

Но чтобы полностью понять исследование, нам нужно сделать шаг назад.

Кальций-ионные аккумуляторы, преимущества и недостатки

Перезаряжаемые кальций-ионные аккумуляторы (Ca²⁺) университета представляют собой самую современную эволюцию технологии, разработанной в 1960-х годах в качестве тепловых аккумуляторов для военного и космического применения. Эти устройства используют Ca²⁺ в качестве активного носителя заряда, таким образом используя в качестве сырья гораздо более распространенный и дешевый ресурс, чем литий. Кальций на самом деле является пятым по распространенности элементом на Земле. А при использовании в электродах он имеет теоретическую объемную емкость и окислительно-восстановительный потенциал, сравнимые с литием.

Его слабое место? Ионы кальция с трудом перемещаются в традиционных электролитах, быстро ухудшая производительность батареи. Кроме того, в присутствии жидких электролитов материалы катода и анода имеют тенденцию растворяться, что делает батарею нестабильной.

Органические электролиты в квазитвердом состоянии.

Для решения этих проблем исследователи предложили отказаться от жидких электролитов в пользу ковалентных органических структур (КОФ). COF — это пористые и упорядоченные кристаллические полимеры, которые благодаря специфическим функциональным группам способны взаимодействовать с ионами кальция и проводить их через батарею по своего рода электрохимическим «дорожкам». Однако для того, чтобы это произошло, команде пришлось смочить кристаллы растворителем на основе пропиленкарбоната, благодаря чему удалось растворить соль кальция и попасть в каналы COF.

Практическим результатом является почти твердотельный электролит, который продемонстрировал замечательную ионную проводимость (0,46 мСм/см) и хорошую способность к переносу ионов (>0,53) при комнатной температуре.

Срок службы новых кальций-ионных аккумуляторов

Этот инновационный подход привел к созданию полноценного ионно-кальциевого элемента с обратимой удельной емкостью 155,9 мАч/г при 0,15 А/г, который сохранял 74,6% первоначальной емкости после 1000 циклов при 1 А/г.

«Наше исследование подчеркивает преобразующий потенциал кальций-ионных батарей как устойчивой альтернативы литий-ионной технологии»— объяснил профессор Юнсоб Ким. «Используя уникальные свойства окислительно-восстановительных ковалентных органических структур, мы сделали значительный шаг на пути к реализации высокопроизводительных решений по хранению энергии, способных удовлетворить потребности более зеленого будущего».

Исследование из названия «Высокопроизводительные квазитвердотельные кальций-ионные аккумуляторы на основе редокс-активных ковалентных органических каркасных электролитов»было опубликовано в научном журнале Advanced Science.