Кальций-ионные батареи со сроком службы в 1000 циклов могут бросить вызов доминированию литий-ионных батарей
Исследователи из Гонконгского университета науки и технологии (HKUST) добились значительного прорыва в разработке кальций-ионных аккумуляторов, создав новую систему, которая может составить конкуренцию доминирующим на рынке литий-ионным батареям. Ключевым достижением команды стало значительное повышение стабильности и производительности этих устройств. Ученые построили свою систему на основе квазитвердотельных электролитов, использующих окислительно-восстановительные ковалентные органические каркасы.
Кальций-ионные батареи давно рассматриваются как многообещающая альтернатива литий-ионным благодаря обилию и дешевизне кальция в земной коре, а также сопоставимому электрохимическому окну. Однако их практическое внедрение сдерживалось двумя основными проблемами: низкой эффективностью транспорта ионов и нестабильностью при циклических нагрузках. В то время как литий-ионные технологии, доминирующие в питании электромобилей и электроники, сталкиваются с ограниченностью ресурсов лития и сложностью дальнейшего повышения энергоемкости, поиск новых химических систем становится все более актуальным. Главным препятствием для кальциевых систем всегда было эффективное перемещение двухзарядных ионов Ca2+ через электролит с сохранением структурной стабильности на протяжении множества циклов заряда-разряда.
Команда HKUST под руководством профессора Юнсоба Кимa решила эту проблему, разработав электролиты на основе ковалентных органических каркасов, обогащенных карбонильными группами. Эти материалы формируют упорядоченные каналы, направляющие ионы кальция. Эксперименты и симуляции показали, что ионы Ca2+ быстро перемещаются вдоль выровненных карбонильных групп внутри упорядоченных пор структуры. Благодаря этому новые квазитвердотельные электролиты достигли ионной проводимости в 0.46 мСм/см и коэффициента переноса Ca2+ более 0.53 при комнатной температуре.
Такая конструкция материала позволила собрать полноценную ячейку кальций-ионного аккумулятора. Устройство продемонстрировало обратимую удельную емкость 155.9 мАч/г при плотности тока 0.15 А/г. Еще более впечатляющим результатом стала долговечность: батарея сохранила более 74.6% своей емкости после 1000 циклов заряда-разряда при плотности тока 1 А/г. Эти показатели приближают технологию к практическому использованию, особенно в областях, где критически важны устойчивость и стоимость.
«Наше исследование подчеркивает преобразующий потенциал кальций-ионных аккумуляторов как устойчивой альтернативы литий-ионной технологии. Используя уникальные свойства окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасов, мы сделали значительный шаг к созданию высокоэффективных решений для хранения энергии, способных удовлетворить потребности в более экологичном будущем», — прокомментировал профессор Ким.
Этот прорыв напрямую нацелен на самую серьезную слабость кальциевых систем — медленный транспорт катионов. Улучшив подвижность ионов при сохранении целостности структуры, исследователи повысили как эффективность, так и долговечность батарей. Кроме того, использование квазитвердотельных электролитов дает преимущества в безопасности по сравнению с жидкими аналогами, снижая риски утечек и повышая механическую стабильность. Это делает новую технологию привлекательной для электромобилей и сетевых накопителей энергии, где безопасность и длительный срок службы имеют первостепенное значение.
Исследование было проведено в сотрудничестве с учеными из Шанхайского университета Цзяо Тун. Несмотря на то, что для масштабирования технологии и подтверждения ее долгосрочной коммерческой жизнеспособности потребуется дальнейшая работа, полученные результаты демонстрируют, что кальций-ионные аккумуляторы способны приблизиться к конкурентным показателям производительности. По мере ускорения глобального энергетического перехода такие достижения, в журнале Advanced Science, позволяют предположить, что кальциевые системы могут стать важной частью будущего энергобаланса.