Кальциевые-ионные батареи: новая граница в накоплении энергии

Эндрю Корсели

Проф. Ёнсеоб Ким (справа), доцент кафедры химической и биологической инженерии и корреспондирующий автор, и его аспирант Инь Чжуою (слева), первый автор, держащий форму для электрохимической ячейки. На фото рядом с циклером батарейных ячеек. (Изображение: HKUST)

Исследователи Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) достигли прорыва в технологии кальциевых-ионных батарей (CIB), который может трансформировать решения для накопления энергии в повседневной жизни. Используя квази-твердотельные электролиты (QSSE), эти инновационные CIB обещают повысить эффективность и устойчивость накопления энергии, влияя на широкий спектр применений — от систем возобновляемой энергии до электромобилей. Результаты опубликованы в международном журнале Advanced Science под названием «Высокопроизводительные квази-твердотельные кальциевые-ионные батареи из редокс-активных ковалентных органических каркасных электролитов».

Срочная необходимость в устойчивых решениях для накопления энергии растет критически по всему миру. По мере того как мир ускоряет переход к зеленой энергии, спрос на эффективные и стабильные батарейные системы никогда не был таким насущным. Современные мейнстримовые литий-ионные батареи (LIB) сталкиваются с вызовами из-за дефицита ресурсов и почти предельной энергоплотности, делая исследование альтернатив вроде CIB необходимым для устойчивого будущего.

CIB держат большую перспективу благодаря своему электрохимическому окну, сравнимому с LIB, и обилию на Земле. Однако у них есть трудности, в частности в достижении эффективного катионного транспорта и поддержания стабильной циклической производительности. Эти препятствия сейчас ограничивают конкурентоспособность CIB против коммерчески доступных LIB.

Для преодоления этих вызовов исследовательская группа под руководством проф. Ёнсеоба Кима, доцента, кафедры химической и биологической инженерии, HKUST, разработала редокс ковалентные органические каркасы для служения QSSE. Эти карбонил-богатые QSSE продемонстрировали замечательную ионную проводимость (0,46 мСм⁻¹) и способность транспорта Ca²⁺ (>0,53) при комнатной температуре. Комбинируя экспериментальные и симуляционные исследования, команда раскрыла, что Ca²⁺ быстро транспортируется вдоль выровненных карбонильных групп внутри упорядоченных пор КОФ.

Этот инновационный подход привел к созданию полной кальциевой-ионной ячейки, проявившей обратимую удельную емкость 155,9 мАч/г при 0,15 А/г и сохранившей более 74,6% удержания емкости при 1 А/г после 1000 циклов, демонстрируя потенциал редокс КОФ для продвижения технологии CIB.

Схемы, показывающие синтетические процессы получения ковалентных органических каркасных квази-твердотельных электролитов и работающей полной ячейки, реализованной в этой работе. (Изображение: HKUST)

Вот эксклюзивное интервью Tech Briefs, отредактированное для краткости и ясности, с Кимом.

Tech Briefs: Какая была самая большая техническая проблема при разработке этого прорыва в технологии CIB?

Ким: Главная проблема — инерентно медленное движение кальциевых ионов. По сравнению с литий-ионами, кальциевые ионы имеют больший размер и более сильный заряд, что делает их диффузию намного медленнее — особенно в квази-твердотельных электролитах, где проводимость может быть в десять раз ниже, чем у лития. Преодоление этого значительного падения проводимости было критичным для жизнеспособности кальциевых-ионных батарей.

Для решения этого мы исследовали использование высококристаллических пористых материалов для построения вертикально выровненных ионно-транспортных путей. Инженеря эти структуры, мы стремились создать непрерывные каналы, облегчающие движение ионов. Кроме того, мы ввели стратегически размещенные активные сайты вдоль этих путей для продвижения и поддержания эффективного транспорта кальциевых ионов. Этот подход был не только инновационным, но и исключительно сложным в реализации, так как требовал точного контроля над архитектурой материала и поверхностной химией на наноуровне.

Tech Briefs: Можете ли вы объяснить простыми терминами, как это работает?

Ким: Представьте традиционную батарею как два контейнера, соединенных мостом. Ионы — заряженные носители — должны пересечь этот мост, чтобы генерировать электричество. В кальциевых батареях проблема в том, что кальциевые ионы больше и «липче», чем литий-ионы, используемые в большинстве батарей сегодня. Они имеют тенденцию замедляться или застревать по пути, особенно в нашем квази-твердом электролите — который твердый, а не жидкий.

Так что мы построили специальную систему шоссе внутри нашей батареи. Используя пористые материалы, мы создали четкие полосы, направляющие кальциевые ионы в правильном направлении. Мы также добавили «станции обслуживания» по пути — точки, которые дают ионам небольшой толчок, чтобы держать их в движении. Этот дизайн помогает большим кальциевым ионам перемещаться эффективно, так что батарея может накапливать и выдавать энергию эффективно, используя обилие кальция вместо редкого лития.

Tech Briefs: Есть ли у вас конкретные планы на дальнейшие исследования/работу/и т.д.? Если нет, какие ваши следующие шаги?

Ким: Да, у нас есть четкие следующие шаги. Во-первых, мы планируем дальше оптимизировать ионно-транспортные каналы для достижения еще более высокой проводимости кальциевых ионов. Наша цель — обеспечить однокальциево-ионную проводимость через материалы КОФ — означая, что каждый канал переносит ионы эффективнее, как выделенная экспресс-полоса.

Во-вторых, мы поработаем над оптимизацией материалов и структур катода и анода. В конечном счете, мы стремимся разработать полностью твердотельную кальциевую-ионную батарею, что еще больше улучшит энергоплотность и безопасность. Это приближает нас к практической, высокопроизводительной батарее с использованием обилого кальция.

Tech Briefs: Есть ли что-то еще, что вы хотели бы добавить, о чем я не коснулся?

Ким: Я собираюсь говорить о многообещающем направлении перезаряжаемых батарей, одно важное направление, которое нас вдохновляет: прямо сейчас мы фокусируемся на построении батарей с анодными активными материалами, но наша конечная цель — разработать безанодные батареи.

Представьте батарею, где вам не нужно нести анодный материал — он формируется сам во время зарядки. Это значительно увеличит энергоплотность, потому что вы используете каждый бит материала эффективно. Это как укладка большего багажа в тот же чемодан.

Безанодный дизайн считается следующим поколением для перезаряжаемых батарей, и мы верим, что кальциевая химия предлагает уникальную возможность дойти до этого. Это амбициозно, но именно над этим мы работаем.

Tech Briefs: Есть ли у вас советы для исследователей, стремящихся воплотить свои идеи в жизнь?

Ким: Вот несколько предложений:

Во-первых, не избегайте сложных проблем — примите их. Если вызов сложен, это значит, что решение будет ценным. Кальциевые ионы инерентно медленнее лития, но работа через этот фундаментальный вызов — то, что делает этот прорыв значимым.

Во-вторых, мыслите структурно, а не только химически. Иногда ответ — не в новом материале, а в том, как вы его устраиваете. Наш пористый канальный дизайн пришел от вопроса не просто «что», а «как» — как ионы фактически движутся через пространство?

И наконец, будьте терпеливы, но настойчивы. Прорывы редко случаются за ночь. Они приходят из маленьких, инкрементальных побед — как улучшение проводимости на несколько процентов, потом еще несколько, пока вдруг вы не перешли порог.

Проблемы, стоящие того, чтобы их решать — те, которые не сдаются легко.