Изследователи от Университета за наука и технологии в Хонконг (HKUST) са разработили нов тип калциево-йонна батерия, която може да се конкурира с литиево-йонната технология, като подобрява стабилността и производителността.
Екипът е създал системата, използвайки квази-твърдотелни електролити на базата на редокс-активни ковалентни органични структури.
Калциево-йонните батерии се считат за обещаваща алтернатива на литиево-йонните батерии, тъй като калцият е в изобилие и е евтин. Те също така предлагат сравним електрохимичен прозорец. Въпреки това практическото им приложение е било ограничено от слабото пренасяне на йони и нестабилния цикличен процес.
Литиево-йонните батерии доминират на днешния пазар, захранвайки електрически превозни средства, системи за съхранение на енергия и потребителска електроника.
Въпреки това, литиевите ресурси са ограничени и подобряването на енергийната плътност става все по-трудно. Това засилва търсенето на химични съединения за батерии от ново поколение.
Системите с калциеви йони са изправени пред основно предизвикателство: ефективно преместване на Ca2+ йони през електролита, като се поддържа структурна стабилност през много цикли на зареждане и разреждане. Без бърз транспорт на йони, производителността спада и деградацията се ускорява.
Решаване на проблема с йоните
Екипът на HKUST се заема с този проблем, като проектира богати на карбонил ковалентни органични структури, които действат като квази-твърди електролити. Тези материали създават подредени канали, които направляват калциевите йони през структурата.
Според изследователите новите електролити постигат йонна проводимост от 0,46 mS/cm и способност за транспорт на Ca²⁺ йони над 0,53 при стайна температура. Експериментални и симулационни изследвания показват, че калциевите йони се движат бързо по подредени карбонилни групи вътре в организираните пори на COF (ковалентно органични рамки).
Този дизайн на материала позволява на екипа да сглоби пълна калциево-йонна батерийна клетка. Системата постига обратима специфична вместимост от 155,9 mAh/g при 0,15 A/g и също така запазва над 74,6% от капацитета си при 1 A/g след 1 000 цикъла.
Тези цифри показват, че технологията се приближава към практическото приложение, особено в области, където устойчивостта и цената са приоритети.
Алтернативи на лития
Напредъкът е насочен към една от най-големите слабости на калциево-йонните системи: бавния транспорт на катиони. Чрез подобряване на йонната мобилност при запазване на структурната цялост, екипът се насочва както към ефективността, така и към издръжливостта.
Квази-твърдотелните електролити също предлагат предимства по отношение на безопасността в сравнение с течните системи, като намаляват риска от изтичане и подобряват механичната стабилност.
Това би могло да направи технологията привлекателна за електрическите превозни средства и съхранението в мрежови мащаб, където безопасността и дългият живот са от решаващо значение.
Проучването е проведено в сътрудничество с изследователи от университета „Шанхай Дзяо Тонг“. Въпреки че са необходими допълнителни усилия за мащабиране на технологията и потвърждаване на дългосрочната й търговска жизнеспособност, резултатите показват, че калциево-йонните батерии могат да достигнат конкурентни показатели за производителност.
С ускоряването на глобалния енергиен преход, химичните съединения в батериите, различни от лития, привличат все по-голямо внимание. Подобни постижения сочат, че системите на калциева основа могат да станат част от бъдещия микс за съхранение на енергия.
Резултатите са публикувани в списанието „Advanced Science“.
Източник: InterestingEngineering
