Ионно-кальциевые аккумуляторы:новый рубеж в области хранения энергии

Эндрю Корселли

Профессор Юнсоб КИМ (справа), доцент кафедры химической и биологической инженерии и автор-корреспондент, и его доктор философии. Студент Инь Чжоюй (слева), первый автор, держит форму для электрохимической ячейки. Они изображены рядом с аккумулятором. (Изображение:HKUST)

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) добились прорыва в технологии ионно-кальциевых батарей (CIB), которые могут изменить решения по хранению энергии в повседневной жизни. Используя квазитвердотельные электролиты (QSSE), эти инновационные CIB обещают повысить эффективность и устойчивость хранения энергии, оказывая влияние на широкий спектр приложений, от систем возобновляемых источников энергии до электромобилей. Результаты опубликованы в международном журнале Advanced Science. под названием «Высокопроизводительные квазитвердотельные кальциево-ионные батареи на основе окислительно-восстановительных активных ковалентных органических каркасных электролитов».

Актуальность решений по устойчивому хранению энергии становится критической во всем мире. Поскольку мир ускоряет переход к «зеленой» энергетике, потребность в эффективных и стабильных аккумуляторных системах становится как никогда актуальной. Сегодняшние распространенные литий-ионные аккумуляторы (LIB) сталкиваются с проблемами из-за нехватки ресурсов и практически ограниченной плотности энергии, что делает изучение альтернатив, таких как CIB, необходимым для устойчивого будущего.

CIB имеют большие перспективы из-за их электрохимического окна, сравнимого с таковым у LIB, и их распространенности на Земле. Однако у них есть проблемы, особенно с достижением эффективного транспорта катионов и поддержанием стабильных показателей езды на велосипеде. Эти препятствия в настоящее время ограничивают конкурентоспособность CIB по сравнению с коммерчески доступными LIB.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа под руководством профессора Юнсеба КИМ, доцента кафедры химической и биологической инженерии HKUST, разработала окислительно-восстановительные ковалентные органические структуры, которые будут служить QSSE. Эти богатые карбонилами QSSE продемонстрировали замечательную ионную проводимость (0,46 мСм см-1) и способность к переносу Ca2+ (>0,53) при комнатной температуре. Объединив экспериментальные и модельные исследования, команда обнаружила, что Ca2+ быстро транспортируется вдоль выровненных карбонильных групп внутри упорядоченных пор COF.

Этот инновационный подход привел к созданию полностью ионно-кальциевого элемента, который демонстрировал обратимую удельную емкость 155,9 мАч г-1 при 0,15 А г-1 и сохранял емкость более 74,6 процента при 1 А г-1 после 1000 циклов, демонстрируя потенциал окислительно-восстановительных COF для продвижения технологии CIB.

В этой работе реализованы схемы, показывающие синтетические процессы создания квазитвердотельных электролитов на основе ковалентного органического каркаса и работы полной ячейки. (Изображение:HKUST)

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Ким, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при разработке этой революционной технологии CIB?

Ким :Самой большой проблемой было медленное движение ионов кальция. По сравнению с ионами лития ионы кальция имеют больший размер и более сильный заряд, что значительно замедляет их диффузию — особенно в квазитвердотельных электролитах, где проводимость может быть более чем в десять раз ниже, чем у лития. Преодоление этого значительного падения проводимости имело решающее значение для жизнеспособности кальций-ионных батарей.

Чтобы решить эту проблему, мы исследовали использование высококристаллических пористых материалов для создания вертикально ориентированных путей ионного транспорта. Создавая эти структуры, мы стремились создать непрерывные каналы, облегчающие движение ионов. Кроме того, мы ввели стратегически расположенные активные сайты вдоль этих путей для стимулирования и поддержания эффективного транспорта ионов кальция. Этот подход был не только инновационным, но и чрезвычайно сложным в реализации, поскольку требовал точного контроля над архитектурой материала и химией поверхности на наноуровне.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как это работает?

Ким :Представьте себе традиционную батарею в виде двух контейнеров, соединенных мостом. Ионам — носителям заряда — необходимо пересечь этот мост, чтобы выработать электричество. Проблема в кальциевых батареях заключается в том, что ионы кальция крупнее и «липче», чем ионы лития, используемые сегодня в большинстве батарей. Они имеют тенденцию замедляться или застревать на своем пути, особенно в нашем квазитвердом электролите, который похож на твердое тело, а не на жидкость.

Итак, мы построили внутри нашей батареи специальную систему магистралей. Используя пористые материалы, мы создали четкие дорожки, которые направляют ионы кальция в правильном направлении. По пути мы также добавили «станции технического обслуживания» — места, которые дают ионам небольшой импульс, заставляя их двигаться. Такая конструкция помогает большим ионам кальция эффективно перемещаться, поэтому батарея может эффективно хранить и доставлять энергию, используя большое количество кальция вместо дефицитного лития.

Технические обзоры :Есть ли у вас какие-либо планы на дальнейшие исследования/работу/и т.д.? Если нет, каковы ваши дальнейшие действия?

Ким :Да, у нас есть четкие следующие шаги. Во-первых, мы планируем продолжить оптимизацию каналов транспорта ионов для достижения еще более высокой проводимости ионов кальция. Наша цель — обеспечить проводимость одиночных ионов кальция через материалы ковалентных органических каркасов (COF). Это означает, что каждый канал переносит ионы более эффективно, как выделенная экспресс-полоса.

Во-вторых, мы будем работать над оптимизацией материалов и конструкций катодов и анодов. В конечном итоге мы стремимся разработать полностью твердотельную кальциево-ионную батарею, которая позволит еще больше повысить плотность энергии и безопасность. Это приближает нас к созданию практичной и высокопроизводительной батареи, в которой содержится большое количество кальция.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Ким :Я собираюсь поговорить о многообещающем направлении аккумуляторных батарей, об одном важном направлении, которое нас волнует:сейчас мы сосредоточены на создании батарей с анодными активными материалами, но наша конечная цель — разработка безанодных батарей.

Представьте себе аккумулятор, в котором не нужно носить с собой материал анода — он образуется сам во время зарядки. Это значительно увеличит плотность энергии, поскольку вы эффективно используете каждый кусочек материала. Это все равно что упаковать в один чемодан больше багажа.

Безанодная конструкция считается следующим поколением аккумуляторных батарей, и мы считаем, что химия кальция предлагает уникальную возможность добиться этого. Это амбициозная задача, но мы над этим работаем.

Технические обзоры :Есть ли у вас какой-нибудь совет исследователям, желающим воплотить свои идеи в жизнь?

Ким :Вот несколько предложений:

Во-первых, не избегайте сложных проблем — примите их. Если задача сложна, это означает, что решение будет ценным. Ионы кальция по своей природе медленнее, чем литий, но именно решение этой фундаментальной проблемы делает этот прорыв значимым.

Во-вторых, мыслите структурно, а не только химически. Иногда ответ заключается не в новом материале, а в том, как вы его аранжируете. В основе конструкции пористого канала лежал вопрос не только «что», но и «как» — как ионы на самом деле движутся в пространстве?

И, наконец, будьте терпеливы, но настойчивы. Прорывы редко происходят в одночасье. Они возникают в результате небольших, постепенных побед — например, улучшения проводимости на несколько процентов, затем еще на несколько процентов, пока вдруг вы не перейдете порог.

Проблемы, которые стоит решить, — это те, от которых легко не сдаться.