Вторичная оболочка: прорыв к дешёвым цинковым батареям

Ранее команда под руководством Чуньшэна Вана из Мэрилендского университета разработала электролиты типа «вода-в-соли», расширившие окно электрохимической стабильности до 3,0 В и обеспечившие долгий циклический ресурс. Однако такие электролиты отличались высокой стоимостью, вязкостью и низкой ионной проводимостью. В новом исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, учёные поставили цель создать низкоконцентрированные водные электролиты, не уступающие по стабильности «воде-в-соли», но лишённые её недостатков — с малой вязкостью, низкой ценой и высокой проводимостью.

Ключевая инновация, предложенная Дэцзянем Дуном, заключается в регулировании не первичной, а вторичной сольватной оболочки ионов цинка. Исследователи ввели фторированные анионы с определёнными донорными числами (выше 18 по шкале Льюиса), которые взаимодействуют не только с Zn²⁺, но и с окружающими молекулами воды во второй координационной сфере. В результате формируется «анионно-мостиковая вторичная сольватная оболочка», защищающая цинк от побочных реакций с водой, стабилизирующая межфазную границу и сохраняющая транспортные свойства электролита. Такой подход позволяет одновременно улучшить несколько характеристик, не жертвуя одной ради другой.

В лабораторных испытаниях созданные электролиты обеспечили кулоновскую эффективность 99,99 % на протяжении более 1000 циклов и плотность энергии до 130 Вт·ч/кг. Это открывает путь к коммерциализации дешёвых и безопасных цинковых батарей с длительным сроком службы, способных сделать хранение возобновляемой энергии более доступным.

Новая стратегия проектирования электролитов, нацеленная на вторичную сольватную структуру, может быть распространена и на другие электрохимические системы накопления энергии. В дальнейших работах учёные планируют применить эту концепцию к иным типам электролитов и с помощью передовых методов анализа глубже изучить процессы на межфазных границах и лежащие в их основе механизмы.