Исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовала 3D-печать для создания пористого углеродного электрода, который позволяет гибридной цинк-ионной батарее накапливать более чем в семь раз больше заряда, чем аналогичные устройства, сохраняя при этом 82% этой емкости после 1500 циклов зарядки. Исследование, опубликованное в журнале Small , было проведено под руководством соавторов Махера Эль-Кади и Рика Канера, а также первого автора Софии Уэмуры.

Сотовый электрод

Устройство объединяет два режима хранения энергии в одной гибридной ячейке. Один вывод ведет себя как обычный электрод литий-ионной батареи. Другой представляет собой углеродный электрод, аналогичный тому, что используется в суперконденсаторах — технологии, которая быстро заряжается и разряжается и служит десятилетиями, но хранит сравнительно мало энергии, поскольку может удерживать заряд только на поверхности своих электродов.

Чтобы обойти это ограничение, команда напечатала на 3D-принтере углеродный электрод с сотовой внутренней структурой , используя смолу, которая затвердевает под воздействием УФ-лазерного излучения. После нагревания и обработки напечатанной структуры газом, в результате чего остался только проводящий углерод с открытыми полостями, исследователи покрыли её оксидом ванадия — материалом с высокой энергоёмкостью. Полученная площадь поверхности достаточно велика, чтобы один грамм в расправленном виде покрыл примерно десять теннисных кортов.

«Использованный нами метод позволяет нам создавать любые трехмерные каркасы слой за слоем и контролировать их микроструктуру», — сказал соавтор исследования Рик Канер, заслуженный профессор химии, биохимии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Мы можем создавать миллиарды и миллиарды таких крошечных отверстий, что обеспечивает огромную внутреннюю площадь поверхности. Это означает, что мы можем накапливать большое количество заряда».

Использование цинковых накопителей энергии также имеет преимущества с точки зрения стоимости и экологичности: цинк примерно в 100 раз более распространен, чем литий, и его легче добывать и перерабатывать. «В какой-то момент нам придется искать что-то, что дополнит существующие варианты крупномасштабных систем хранения энергии», — сказал Эль-Кади, научный сотрудник кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Слева направо: соавтор-корреспондент Махер Эль-Кади, первый автор София Уэмура и соавтор-корреспондент Рик Канер. (Фото: Джулия Ху и Хай Ко Тиет)

Второй вклад

Наряду с самой батареей, команда представила напечатанную на 3D-принтере тестовую ячейку с герметичной крышкой и фиксированным расстоянием между электродами, предназначенную для замены открытых стаканов, все еще распространенных в лабораториях по исследованию батарей. Испарение электролита и непостоянное положение электродов делают испытания в стаканах ненадежными с течением времени. В напечатанной ячейке, разработанной в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, стандартизированные углеродные электроды сохранили 98% своего заряда после 1500 циклов, по сравнению с отказом менее чем через 100 циклов в обычной открытой ячейке.

«Мы надеемся, что эта концепция окажется полезной для других исследователей в этой области, помогая им получать более точные измерения и надежные данные для своих устройств», — сказала Уэмура, недавно получившая докторскую степень в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. « Одна из замечательных особенностей 3D-печати — это ее доступность. В данном случае любой, у кого есть доступ к 3D-принтеру, сможет создать тестовую ячейку, подобную нашей, и адаптировать ее для своей работы».

Это скорее усовершенствование в области исследовательских инструментов, чем само устройство, но весьма примечательное: в отличие от готовых стеклянных тест-ячеек, стоимость которых начинается от 1000 долларов, версия, напечатанная на 3D-принтере, доступна любой лаборатории, имеющей такое устройство.

Исследование проводилось в рамках сотрудничества между Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе (UCLA) и Национальным университетом Цинхуа на Тайване при финансовой поддержке гранта Калифорнийского университета по борьбе с изменением климата, компании Nanotech Energy Inc. и именной кафедры доктора Мён Ки Хонга по инновациям в области материалов в UCLA. 

Источник