Dlaczego wodne akumulatory cynkowe nie znoszą upałów?
Potencjał wodnych akumulatorów cynkowych jest naprawdę duży. Ich teoretyczna pojemność sięga 820 mAh/g lub 5855 mAh/cm3, co stawia je w korzystnym świetle wobec wielu konkurentów. Gdy do tego dodać wspomniane bezpieczeństwo i perspektywę niskich kosztów, obraz idealnego następcy technologii litowo-jonowej wydaje się klarowny. Niestety, rzeczywistość jest bardziej skomplikowana.
Czytaj też: Krok w stronę cichszego i oszczędniejszego latania. Skrzydło, które dopasowuje się w locie
Podwyższona temperatura działa na nie jak trucizna. Uaktywnia całą kaskadę niepożądanych reakcji chemicznych. Cząsteczki wody w elektrolicie zaczynają się rozkładać, wydzielając wodór, co prowadzi do wzrostu ciśnienia i degradacji ogniwa. Jednocześnie metaliczny cynk ulega przyspieszonej korozji, a materiały elektrod mogą się po prostu rozpuszczać. To fundamentalna bariera, która przez lata uniemożliwiała wykorzystanie tych baterii w miejscach, gdzie panują trudniejsze warunki termiczne, jak chociażby w gorącym klimacie czy w pobliżu rozgrzanych urządzeń przemysłowych.
Nowy elektrolit MASSE
Zamiast łatać dziury, chińscy badacze postanowili zaatakować źródło kłopotów. Opracowany przez nich wielofazowy elektrolit, nazwany MASSE radykalnie ogranicza szkodliwą aktywność cząsteczek wody. Jego działanie opiera się na stworzeniu stabilnej sieci oddziaływań między fazami, co skutecznie „więzi” molekuły H2O, rekonstruuje wiązania wodorowe i minimalizuje przestrzeń dla destrukcyjnych reakcji. Różnica w skuteczności jest uderzająca. W temperaturze 150°C konwencjonalny wodny elektrolit traci ponad połowę swojej masy, podczas gdy MASSE zachowuje jej ponad 99%. Równie ważne jest praktyczne wyeliminowanie korozji cynku, która w wysokich temperaturach była jednym z głównych hamulców rozwoju. W 80°C szybkość tego procesu w nowym elektrolicie jest niemal dziewięciokrotnie niższa niż w standardowym roztworze wodnym, a nawet lepsza niż w niektórych elektrolitach organicznych.
Gdy przyszła pora na testy w rzeczywistych warunkach, akumulatory wykorzystujące MASSE również zaprezentowały się solidnie. Osiągnięto stabilną pracę w temperaturze 140°C, co samo w sobie jest wynikiem godnym uwagi. Pełne ogniwa cynk-polianilina wytrzymały 1700 cykli ładowania i rozładowania przy gęstości prądu 8 A/g. W przypadku ogniw testowych z elektrodami cynk-miedź średnia wydajność kulombowska utrzymywała się na wysokim poziomie 98,60% przez 1200 cykli. Nawet w ekstremalnym środowisku (140°C) ogniwa zachowywały konkretną pojemność 157 mAh/g. Co istotne, badacze sprawdzili też większe ogniwa typu „woreczkowego”, lepiej oddające warunki użytkowe. Takie ogniwo o całkowitej pojemności 37 mAh pracowało stabilnie przez ponad 175 cykli w 80°C, a dla konfiguracji z dwiema elektrodami cynkowymi czas ciągłej pracy przekroczył 400 godzin.
Czytaj też: Jeśli kiedykolwiek zabrakło Ci adaptera do pompki, ten drobiazg od razu wyda Ci się podejrzanie sensowny
Kolejną dobrą wiadomością jest uniwersalność MASSE. Elektrolit dobrze współpracuje z różnymi rozpuszczalnikami organicznymi i materiałami katod, co sugeruje szerokie możliwości adaptacji. Badania termowizyjne potwierdziły równomierny rozkład temperatury w pracującym ogniwie, co jest oznaką stabilnych i przewidywalnych reakcji. Kluczowa zmiana zaszła także w morfologii osadzanego cynku. Zamiast niebezpiecznych, igłowatych dendrytów, które mogą powodować zwarcie, metal odkłada się równomiernie, tworząc gładką warstwę nawet w podwyższonej temperaturze.
Czy to oznacza rewolucję?
Otwierają się ciekawe możliwości z zakresu zastosowań. Bezpieczne, odporne na temperaturę akumulatory cynkowe mogłyby znaleźć miejsce w systemach magazynowania energii w słonecznych regionach świata, w elektronice pracującej w wymagających warunkach przemysłowych czy w specyficznych zastosowaniach militarnych. Ich niepalność to ogromny atut w porównaniu z ogniwami litowo-jonowymi, których awaria w wysokiej temperaturze może skończyć się pożarem.
Należy jednak pamiętać, że opisane osiągnięcia to wciąż etap zaawansowanych badań laboratoryjnych. Końcowy produkt musi być nie tylko wydajny, ale też tani w masowej produkcji i niezawodny przez lata. Praca chińskiego zespołu bez wątpienia stanowi ważny przełom koncepcyjny oraz pokazuje nowy kierunek w projektowaniu elektrolitów. Jeśli uda się przełożyć te obiecujące wyniki na skalę przemysłową, możemy w przyszłości zyskać naprawdę wartościową alternatywę dla obecnie dominujących technologii.