Японские ученые создали гибкую и безопасную магниево-воздушную батарею нового поколения
Японские исследователи представили твердотельную магниево-воздушную аккумуляторную батарею нового поколения, которая сочетает повышенную безопасность, устойчивость к деградации и высокую механическую гибкость. Разработка может стать более дешёвой и надёжной альтернативой современным литиевым системам, широко используемым в электромобилях и системах хранения энергии.
Работа была выполнена учёными из University of Tsukuba, которые сосредоточились на одной из ключевых проблем магниево-воздушных аккумуляторов — химической нестабильности катода. Такие батареи используют кислород из воздуха в качестве активного материала на катоде и теоретически способны обеспечивать энергетическую плотность, сопоставимую с литий-воздушными системами. Однако на практике их долговечность резко снижается из-за разрушительных химических процессов внутри элемента.
Основным источником этих проблем долгое время оставались ионы хлора в электролите. Они вызывают внутреннюю хлоринацию, которая повреждает катод и другие компоненты батареи, что приводит к быстрой потере ёмкости при циклах зарядки и разрядки. В новой конструкции исследователи заменили традиционные платиновые катоды на пористый графен, легированный азотом, обладающий высокой каталитической активностью и устойчивостью к воздействию хлоридов.
В качестве анода используется коммерчески доступный металлический магний, а электролит выполнен в виде твёрдого полимерного геля с добавлением хлорида магния. Переход от жидкого электролита к твёрдотельному решению существенно повысил безопасность системы и её механическую прочность. По словам авторов работы, именно сочетание нового катода и твёрдого электролита позволило добиться стабильной работы аккумулятора при многократных циклах.
Пористая структура графена играет ключевую роль в работе батареи. Она создаёт пространство для размещения продуктов разряда и обеспечивает эффективный перенос массы, что критически важно для стабильной работы воздушных аккумуляторов. В ходе испытаний новая магниево-воздушная батарея превзошла аналоги с платиновыми катодами по ряду показателей, включая устойчивость к деградации и эффективность кислородных реакций.
Дополнительным преимуществом стала полная ликвидация риска утечек электролита, характерного для жидких систем. Это открывает путь к созданию более надёжных и практичных аккумуляторов для реальных условий эксплуатации. В механических тестах батарея сохраняла исходные характеристики даже при изгибе на 120 градусов, при этом никаких признаков утечки электролита зафиксировано не было.
Такая гибкость делает разработку перспективной не только для электромобилей и стационарных накопителей энергии, но и для гибкой электроники и носимых устройств. Использование магния, который значительно дешевле и распространённее лития и платины, также может снизить зависимость от уязвимых цепочек поставок и уменьшить стоимость конечных технологий.
Магниево-воздушные аккумуляторы долгое время считались многообещающими, но трудными для коммерциализации именно из-за проблем с долговечностью. Устранив деградацию катода, вызванную хлоридами, и стабилизировав электролит, японские исследователи продемонстрировали практический путь к созданию перезаряжаемых магниево-воздушных батарей высокой ёмкости. Результаты работы в журнале Advanced Functional Materials и, по мнению авторов, могут сыграть важную роль в развитии более безопасных и доступных технологий электрификации.