Nowe akumulatory cynkowe zaskakują trwałością. Zachowują niemal 90% pojemności po 10 tys. cykli

Ponad 10 tysięcy cykli ładowania i rozładowania, a akumulator nadal zachowuje blisko 90 proc. swojej początkowej pojemności. Naukowcy z Chin opracowali nową konstrukcję ogniwa cynkowo-jodowego, która może otworzyć drogę do bardziej wytrzymałych i wydajnych magazynów energii. Co istotne, badacze przetestowali również większy prototyp, uzyskując obiecujące wyniki.

Rozwój odnawialnych źródeł energii zwiększa zapotrzebowanie na technologie umożliwiające długotrwałe i bezpieczne przechowywanie energii elektrycznej. Choć obecnie rynek zdominowany jest przez akumulatory litowo-jonowe, naukowcy intensywnie poszukują alternatywnych rozwiązań, które mogłyby ograniczyć koszty magazynowania energii i wydłużyć żywotność całych instalacji.

Jednym z obiecujących kierunków są wodne akumulatory cynkowo-jodowe. Ich zaletą jest wykorzystanie cynku, czyli pierwiastka stosunkowo łatwo dostępnego, oraz elektrolitu na bazie wody. Problemem pozostaje jednak stopniowe pogarszanie parametrów ogniw podczas wielokrotnego ładowania i rozładowywania.

Zespół badaczy z Jilin University oraz Changchun Institute of Applied Chemistry opracował rozwiązanie, które pozwoliło znacząco ograniczyć jeden z najważniejszych mechanizmów degradacji takich akumulatorów. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym Science China Chemistry.

Ponad 10 tys. cykli i wciąż 89,34 proc. pojemności

Największe zainteresowanie budzą wyniki testów laboratoryjnych nowego ogniwa. Przy gęstości prądu wynoszącej 1 A/g zmodyfikowana katoda osiągnęła początkową pojemność właściwą 175,5 mAh/g.

Po przekroczeniu 10 tys. cykli ładowania i rozładowania zachowała aż 89,34 proc. początkowej pojemności. Test odpowiadał ponad 3500 godzinom pracy.

Jeszcze bardziej imponującą liczbę cykli uzyskano przy wyższej gęstości prądu, wynoszącej 10 A/g. W tych warunkach badacze odnotowali początkową pojemność 120 mAh/g oraz żywotność cykliczną sięgającą 93 400 cykli.

Warto jednak podkreślić, że oba rezultaty uzyskano w odmiennych warunkach pomiarowych. Nie oznacza to więc, że akumulator zachowuje niemal 90 proc. pojemności również po ponad 93 tys. cykli.

Naukowcy zmienili sposób działania katody. Kluczowe okazały się nanorurki węglowe

Za poprawą trwałości nie stoi całkowicie nowa technologia akumulatorowa, lecz odpowiednia modyfikacja materiału katody.

W klasycznych ogniwach cynkowo-jodowych jednym z problemów jest tzw. efekt wahadłowy (shuttle effect). Polega on na przemieszczaniu się rozpuszczalnych form jodu, przede wszystkim polijodków, w elektrolicie. Zjawisko prowadzi do niepożądanych reakcji, strat energii i stopniowego pogarszania parametrów ogniwa.

Chińscy badacze postanowili ograniczyć ten proces, wykorzystując samonośne katody z nanorurek węglowych, których powierzchnię poddano modyfikacji chemicznej.

Sprawdzono trzy rodzaje grup funkcyjnych: hydroksylowe (–OH), karboksylowe (–COOH) oraz aminowe (–NH₂). Najkorzystniejsze właściwości wykazały nanorurki wyposażone w grupy hydroksylowe.

Tak zmodyfikowana struktura skuteczniej wiązała związki jodu, ograniczając ich niekontrolowane przemieszczanie się wewnątrz akumulatora. Jednocześnie przewodząca sieć nanorurek sprzyjała transportowi elektronów.

Co ciekawe, opracowany materiał charakteryzował się powierzchnią właściwą wynoszącą około 1005 m²/g. Tak rozwinięta struktura umożliwiała skuteczne rozmieszczenie i utrzymywanie jodu wewnątrz katody.

Mniej strat energii i stabilniejsze reakcje chemiczne

Badacze nie ograniczyli się wyłącznie do sprawdzenia pojemności akumulatora. Wykorzystali również zaawansowane techniki analityczne, w tym spektroskopię Ramana prowadzoną podczas pracy ogniwa oraz rentgenowską spektroskopię fotoelektronów.

Analizy pozwoliły prześledzić przemiany chemiczne jodu zachodzące podczas kolejnych cykli. Wyniki wskazały, że zastosowana modyfikacja katody skutecznie hamuje efekt wahadłowy. Jest to szczególnie ważne, ponieważ ograniczenie migracji polijodków może poprawiać sprawność energetyczną oraz zmniejszać tempo degradacji materiałów aktywnych.

Z punktu widzenia rozwoju systemów magazynowania energii ma to duże znaczenie. W takich zastosowaniach liczy się bowiem nie tylko ilość energii, którą można przechować, lecz także liczba cykli pracy, jaką urządzenie wytrzyma bez konieczności wymiany.

Powstał większy prototyp akumulatora. Wyniki są obiecujące

Ważnym etapem badań było skonstruowanie ogniwa w formacie saszetkowym, określanego jako pouch cell. Tego rodzaju konstrukcja jest bliższa rozwiązaniom stosowanym w praktycznych akumulatorach niż niewielkie laboratoryjne ogniwa testowe.

Prototyp zawierał 150 mg jodu i pracował przy napięciu około 1,1 V. Uzyskano rzeczywistą pojemność 23,8 mAh.

Po 350 cyklach ładowania i rozładowania urządzenie zachowało 91,7 proc. początkowej pojemności. To istotny rezultat, ponieważ pokazuje, że korzystne właściwości zmodyfikowanej katody można uzyskać również w większym ogniwie, a nie wyłącznie w podstawowym układzie badawczym.

Jednocześnie parametry prototypu wskazują, że technologia nadal znajduje się na etapie rozwoju. Pojemność 23,8 mAh jest niewielka w porównaniu z ogniwami przeznaczonymi do komercyjnych magazynów energii. Konieczne będą zatem dalsze badania nad skalowaniem konstrukcji, gęstością energii i stabilnością podczas długotrwałej eksploatacji. brightsurf.com+1

Czy akumulatory cynkowo-jodowe mogą konkurować z litowo-jonowymi?

Nowa konstrukcja wpisuje się w szerszy trend poszukiwania alternatyw dla technologii litowo-jonowej, szczególnie w stacjonarnych magazynach energii współpracujących z instalacjami fotowoltaicznymi, farmami wiatrowymi czy sieciami elektroenergetycznymi.

W takich zastosowaniach niezwykle ważne są trwałość, bezpieczeństwo, koszty materiałowe oraz możliwość regularnego ładowania i rozładowywania akumulatorów przez wiele lat.

Wodne ogniwa cynkowe mają potencjalną przewagę związaną z wykorzystaniem niepalnego, wodnego elektrolitu oraz relatywnie dostępnych surowców. Nie oznacza to jednak, że automatycznie będą tańsze lub bardziej konkurencyjne od rozwiązań litowo-jonowych.

Dużym wyzwaniem pozostają między innymi osiągnięcie odpowiedniej gęstości energii na poziomie kompletnego ogniwa, kontrola procesów zachodzących na anodzie cynkowej oraz opracowanie technologii masowej produkcji.

Nowe badania rozwiązują przede wszystkim jeden z problemów związanych z trwałością katody jodowej. Nie stanowią jeszcze dowodu na osiągnięcie pełnej gotowości komercyjnej.

Nowa generacja magazynów energii? Decydujące będą kolejne testy

Osiągnięcie ponad 10 tys. cykli przy zachowaniu blisko 90 proc. pojemności pokazuje, jak duży wpływ na parametry akumulatora może mieć odpowiednio zaprojektowana chemia powierzchni elektrod.

Z perspektywy branży energetycznej równie istotna jest możliwość wykorzystania tego podejścia w kolejnych konstrukcjach wodnych magazynów energii.

Jeżeli badaczom uda się utrzymać wysoką trwałość również w ogniwach o znacznie większej pojemności, technologia cynkowo-jodowa może stać się interesującym rozwiązaniem dla wybranych zastosowań stacjonarnych.

Na razie jednak mamy do czynienia z obiecującym osiągnięciem laboratoryjnym, a nie gotowym następcą akumulatorów litowo-jonowych. Najważniejsze będą dalsze próby w większej skali, analiza kosztów produkcji oraz sprawdzenie zachowania ogniw w rzeczywistych warunkach eksploatacji.

Jedno jest pewne: wyniki chińskich badaczy pokazują, że wydłużanie życia akumulatorów nie musi wymagać odkrycia zupełnie nowych materiałów. Czasami przełom może przynieść precyzyjna zmiana właściwości tych, które już znamy.

Źródło naukowe: Zhen-Bang Zhuang i współautorzy, Functional group chemistry of carbon nanotube cathode to guide the construction of long-life aqueous Zn-iodine batteries, Science China Chemistry, 2026.