Ученые из Китая придумали, как сделать цинк-воздушные батарейки практически вечными. Речь идет о тех самых источниках питания, которые сейчас считаются одними из самых перспективных для гибкой электроники — например, для умных браслетов или складных экранов. Главная беда таких батареек была в том, что жидкий электролит внутри них постоянно норовил вытечь, да и механической прочностью такие устройства не отличались.

Исследователи из Китайского университета Трех ущелий вместе с коллегами из лаборатории Хубэй Санься и научного центра при Министерстве образования нашли выход из положения. Они разработали специальный гель, который заменяет привычную жидкость внутри батарейки. Этот гель устроен хитро: это одновременно и органический полимер, и неорганический наполнитель. Ученые смешали два полимера — полиакрилат натрия и поливинилпирролидон — и добавили к ним крошечные частицы диоксида титана, обработанные так, чтобы они лучше связывались с основой.

Благодаря такой конструкции гель получился очень прочным и эластичным. Он отлично удерживает щелочной раствор, который необходим для работы батарейки, и при этом не дает ему испаряться или вытекать. Электропроводность материала оказалась на высоте.

Но самое интересное — это то, как новый гель повлиял на работу самой батарейки. В обычных цинк-воздушных элементах со временем на поверхности цинка вырастают игольчатые кристаллы — дендриты. Они как сорняки пробивают сепаратор и замыкают батарейку изнутри, убивая ее. Частицы диоксида титана в составе геля подавляют рост этих дендритов. Кроме того, они мешают протеканию побочных реакций, которые снижают емкость.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Chemical Science and Engineering.

Испытания показали, что гибкие батарейки с таким гелем работают намного дольше и мощнее своих предшественников. Технология особенно важна для носимых устройств: представь себе часы или фитнес-трекер, который можно гнуть как угодно, и он не взорвется и не потечет. По сути, ученые нашли способ сделать безопасные и емкие батарейки еще и долговечными.

Если смотреть на это исследование как на инженерное решение, то польза здесь прослеживается колоссальная, причем сразу на двух уровнях.

Для науки этот подход — блестящий пример того, как работает современная химия материалов. Мы давно знаем, что дендриты — это ахиллесова пята всех металлических анодов. Но вместо того чтобы усложнять производство и добавлять дорогие сепараторы, авторы просто изменили «среду обитания» цинка. Введение функционализированных наночастиц в двойную полимерную сеть — это элегантный способ „обмануть“ природу кристаллизации. Ионы цинка просто не могут собраться в крупные иглы, потому что гель работает как частокол, равномерно распределяя ионные потоки. Это открывает дорогу к похожим решениям для литиевых и натриевых батарей.

В реальной жизни выгода еще понятнее. Главное преимущество — безопасность и долговечность. Для обычного пользователя это означает, что дорогие гаджеты со временем перестанут умирать из-за убитого аккумулятора. Но есть и более интересный сценарий — медицинские импланты или носимые датчики. Представь пластырь с датчиком глюкозы, который крепится на коже на неделю. Он должен быть гибким, безопасным (никакой едкой жидкости внутри) и стабильно работать. Такой гель решает все три проблемы. Ну и наконец, это шаг к «зеленой» энергетике: цинк дешевле и доступнее лития, а если батарейка живет дольше, значит, меньше отходов.

Как часто бывает с лабораторными образцами, дьявол кроется в деталях. Мое главное замечание касается не того, что они показали, а того, о чем они умолчали. Да, TiO2 (NH2) отлично распределили в матрице, подавили дендриты, получили отличную проводимость. Но где данные о долгосрочной стабильности самого геля? Они говорят о «высокой щелочестойкости», но щелочь в таких системах имеет свойство постепенно разрушать полимерную основу, особенно при циклировании.

Мне, как рецензенту, не хватило бы данных по деградации механических свойств геля после, скажем, 500 циклов заряда-разряда. Не хватает сравнительной таблицы изменения эластичности и модуля упругости до и после испытаний. Если через месяц работы гель высохнет или растрескается из-за постоянных объемных изменений электрода, то все их достижения по подавлению дендритов потеряют смысл. Без этих данных сложно судить, действительно ли мы имеем дело с прорывом в долговечности, или это просто красивая химия на короткой дистанции.

Ранее ученые нашли способ остановить деградацию литиевых батарей.