Bateria, która wytrzymuje 60 tys. cykli. Naukowcy pokazali alternatywę dla technologii litowo-jonowej

Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe sprawia, że naukowcy coraz intensywniej szukają technologii, które będą tańsze, bezpieczniejsze i łatwiejsze do skalowania. Zespół z Flinders University w Australii zaprezentował właśnie wodny akumulator cynkowo-jodowy, który w testach zachował zdolność do pracy przez ponad 60 tys. cykli ładowania i rozładowania.

To wynik, który może mieć szczególne znaczenie w przypadku wielkoskalowych magazynów energii współpracujących z instalacjami fotowoltaicznymi i farmami wiatrowymi. Nowa konstrukcja wykorzystuje między innymi niedrogi materiał polimerowy otrzymywany ze związków pochodzących ze skrobi.

Badania opisano na łamach czasopisma naukowego Angewandte Chemie International Edition.

Alternatywa dla baterii litowo-jonowych

Akumulatory litowo-jonowe są dziś podstawą elektromobilności, elektroniki użytkowej oraz wielu magazynów energii. Ich rosnąca popularność oznacza jednak również coraz większe zapotrzebowanie na surowce, problemy z łańcuchami dostaw i rosnącą ilość zużytych baterii wymagających zagospodarowania.

Australijscy naukowcy zwracają uwagę na wodne akumulatory cynkowo-jodowe, określane jako AZIB, czyli aqueous zinc-ion batteries. W przeciwieństwie do wielu klasycznych ogniw wykorzystują one elektrolit na bazie wody. Zdaniem badaczy technologia może być szczególnie interesująca w zastosowaniach stacjonarnych, gdzie kluczowe są bezpieczeństwo, żywotność oraz koszt magazynowania energii.

Zespół pracuje już z przemysłem nad stworzeniem platformy umożliwiającej przygotowanie prototypów nowych baterii.

60 tys. cykli i ładowanie w kilka minut

Największą uwagę zwracają parametry osiągnięte przez eksperymentalne ogniwo. W jednym z wariantów bateria uzyskała pojemność około 200 mAh/g i mogła pracować przez ponad 8000 cykli, przy czym pełne ładowanie trwało około siedmiu minut.

Jeszcze bardziej imponującą trwałość uzyskano przy pojemności około 150 mAh/g. W takim trybie ogniwo wytrzymało ponad 60 tys. cykli ładowania i rozładowania, a czas pełnego ładowania wynosił około trzech minut.

Napięcie pracy opracowanego układu wynosiło około 1,3–1,4 V. Nie oznacza to jeszcze, że technologia w najbliższym czasie zastąpi baterie stosowane w smartfonach czy samochodach elektrycznych. Wyniki pokazują jednak potencjał rozwiązania w magazynowaniu energii, gdzie ekstremalnie duża liczba cykli może być znacznie ważniejsza od maksymalnej gęstości energii.

Naukowcy rozwiązali jeden z najważniejszych problemów

Jod jest atrakcyjnym materiałem dla elektrochemii, ponieważ może uczestniczyć w odwracalnych reakcjach i oferuje teoretyczną pojemność elektryczną sięgającą 211 mAh/g. Dotychczas jednym z problemów akumulatorów cynkowo-jodowych było jednak powstawanie form polijodkowych. Związki te mogą przemieszczać się pomiędzy elektrodami przez separator, powodując tzw. efekt wahadłowy. W praktyce prowadzi on do pogarszania parametrów baterii i skracania jej żywotności. Australijski zespół zastosował w tym celu specjalny polimer oparty na cyklodekstrynach.

To grupa cyklicznych oligosacharydów, które można otrzymywać ze skrobi w procesie enzymatycznym. Cyklodekstryny są już powszechnie stosowane między innymi w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Ich budowa okazała się wyjątkowo przydatna również w bateriach.

Materiał tworzy swoistą „klatkę” dla związków jodu

Cząsteczki cyklodekstryn posiadają hydrofilową powierzchnię zewnętrzną oraz hydrofobową przestrzeń wewnętrzną. Dzięki temu polimer może wychwytywać i uwalniać odpowiednie związki jodu, ograniczając ich niepożądane przemieszczanie się wewnątrz ogniwa.

Badacze opisują ten mechanizm jako rodzaj chemicznej „klatki” dla anionów polihalogenkowych. To właśnie ograniczenie efektu wahadłowego ma być jednym z powodów niezwykle wysokiej trwałości nowego akumulatora.

Według naukowców połączenie takich materiałów z cynkiem może pozwolić budować bardziej zrównoważone i długowieczne magazyny energii.

Cynk może być dużym atutem

W przypadku Australii znaczenie nowej technologii jest dodatkowo związane z dostępnością surowca. Wodne akumulatory cynkowo-jonowe wykorzystują zazwyczaj metaliczny cynk, a Australia posiada jedne z największych znanych zasobów tego pierwiastka na świecie. Według danych przywoływanych przez badaczy kraj odpowiada za około 20–28 proc. globalnych zasobów i rezerw cynku.

Ma to znaczenie także z perspektywy rosnącej ilości odpadów pochodzących z tradycyjnych baterii. Obecnie w Australii powstaje około 3300 ton odpadów z akumulatorów litowo-jonowych rocznie. Prognozy wskazują, że do 2036 roku ilość ta może przekroczyć 136 tys. ton.

Czy baterie cynkowo-jodowe zastąpią litowo-jonowe?

Na tym etapie byłoby zdecydowanie za wcześnie, aby mówić o końcu dominacji technologii litowo-jonowej. Nowy akumulator znajduje się nadal na etapie badań i przygotowywania prototypów.

Poszczególne technologie magazynowania energii mają też odmienne zalety. W samochodach elektrycznych czy urządzeniach mobilnych ogromne znaczenie ma gęstość energii i masa ogniwa. W wielkich magazynach stacjonarnych priorytetami mogą być natomiast koszt, bezpieczeństwo, dostępność materiałów oraz możliwość wykonania dziesiątek tysięcy cykli.

To właśnie w tym drugim obszarze wodne baterie cynkowo-jodowe mogą znaleźć swoją niszę. Jeżeli parametry uzyskane w laboratorium uda się utrzymać po zwiększeniu skali produkcji, technologia mogłaby w przyszłości znaleźć zastosowanie między innymi w magazynach energii stabilizujących sieci wykorzystujące duży udział odnawialnych źródeł energii.

Przed zespołem pozostaje jednak ważny etap: przejście od laboratoryjnego ogniwa do prototypu, który będzie można testować w warunkach zbliżonych do rzeczywistych zastosowań.

Źródło badania: Shangxu Jiang, Zhipeng Pei, Yanlin Shi, Kai Zhang, Justin M. Chalker, Sara J. Fraser-Miller, Michelle L. Coote i Zhongfan Jia, „Caging polyhalide anions in polycyclodextrin for long-lasting aqueous zinc-iodine batteries”, Angewandte Chemie International Edition (2026).