Американские ученые повысили емкость аккумуляторов в семь раз с помощью 3D-печати

Ключевые задачи при разработке новых аккумуляторов — повышение емкости и скорости зарядки, продление эксплуатации и снижение себестоимости. Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе утверждают, что с помощью технологий 3D-печати им удалось создать недорогой и медленно стареющий гибридный цинк-ионный аккумулятор с повышенной в семь раз по сравнению с существующими аналогами емкостью.

Спрос на электроэнергию растет, как и попытки заменить традиционную энергетику возобновляемой. Одна из главных проблем — выравнивание нагрузок на сети. Производство электроэнергии солнечными батареями и ветрогенераторами крайне нестабильно, так как зависит от погодных условий и суточных колебаний. В идеале излишки вырабатываемой энергии нужно накапливать, чтобы компенсировать недостачу в темное время суток и безветренную и пасмурную погоду. Накапливать энергию можно используя разные физико-химические принципы — с помощью гидроаккумулирующих станций, гравитационных систем с подвешенным грузами, маховиков или привычных аккумуляторов. 

В последнем случае необходимо наращивать емкость, снижать себестоимость и улучшать живучесть, ведь аккумуляторов требуется много, а спрос только растет. В идеале аккумуляторы должен быть недорогими, эксплуатироваться десятилетиями и быстро заряжаться. Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе работают как раз над такими устройствами: опытные цинк-ионные батареи используют 3D-печатные электроды, позволяющие накапливать в семь раз больше энергии, чем привычные гибридные аккумуляторы. Использование цинка в производства одного из электродов экономичнее, считают разработчики, потому что он дешевле и доступнее лития: разведанные запасы цинка превышают запасы лития примерно в сто раз. 

Другой электрод опытного аккумулятора выполнен из углерода и напоминает те, что используются в ионистрах (суперконденсаторах). Суперконденсаторы быстро заряжаются и потенциально могут эксплуатироваться десятилетиями, но их емкость мала, так как заряд накапливается только на поверхностях электродов. Калифорнийским ученым удалось повысить плотность энергии увеличением площади поверхности электрода и добавлением оксида ванадия, хорошо накапливающего заряд. 

Структура комбинированного электрода пориста и напоминает соты или губку, за счет чего и достигается увеличение площади. Элемент изготовлен методом стереолитографической 3D-печати на 3D-принтере Elegoo Mars 3 Pro с использованием стандартной фотополимерной смолы. Полученную 3D-печатную заготовку подвергли отжигу, после которого осталась пористая и электропроводящая углеродная структура, а ее затем химически пропитали оксидом ванадия. Эффективная поверхность увеличилась настолько, что если один грамм структуры распластать как лист бумаги, он покроет площадь примерно десяти теннисных кортов. Чем больше площадь, тем больше накапливаемый заряд.

Новый аккумулятор может похвастаться не только высокой емкостью, но и приличным сопротивлением старению: после полутора тысяч циклов зарядки и разрядки устройство сохранило восемьдесят два процента первоначальной емкости. Для сравнения, емкость типичных бытовых литий-ионных аккумуляторов падает до восьмидесяти процентов после примерно пятисот циклов. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут выдерживать до пяти тысяч циклов перед падением емкости на те же двадцать процентов. 

Доклад научной команды опубликован в журнале Small.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru