Аккумуляторы на основе цинка (AZIB) — перспективная замена литий-ионным батареям. Они безопаснее, дешевле и могут запасать больше энергии. Но есть проблема: при высокой нагрузке они быстро изнашиваются, а ионы цинка двигаются слишком медленно. Виной всему — узкие промежутки между слоями материала в электроде и разрушение структуры при каждом цикле заряда-разряда.

Ученые нашли решение — добавили в материал катода (VOPO₄) молекулы формамида (FA). Это раздвинуло слои с 7,4 до 9,3 ангстрем, а часть воды между ними заменилась на FA. Получилась стабильная конструкция, где ионы цинка двигаются быстрее благодаря водородным связям между FA и оставшейся водой.

Водородная связь — слабое притяжение между атомом водорода (например, в воде) и другим атомом с отрицательным зарядом (кислород, азот). В этом исследовании такие связи между формамидом и водой создают «тоннели» для ионов цинка, ускоряя их движение.

Результаты опубликованы в издании Frontiers in Energy.

Что получилось:

• При нагрузке 7 мг/см² катод выдал 463 мАч/г — в 8 раз больше, чем обычный VOPO₄.
• Даже при 20 мг/см² емкость осталась высокой — 535 мАч/см³.
• После 1000 циклов на 1 А/г сохранил 82,1% емкости.

Такие батареи смогут питать сети хранения энергии и гаджеты без риска возгорания и с вдвое большим сроком службы.

Польза исследования

Для промышленности:

• Снижение стоимости аккумуляторов — цинк дешевле лития.
• Безопасность — нет горючего электролита, можно использовать в жилых помещениях.
• Высокая энергоемкость — подходит для солнечных электростанций, где важна долговечность.

Для потребителей:

• Ноутбуки и телефоны с батареями, которые не взрываются и работают дольше.
• Электромобили с быстрой зарядкой — ионы цинка двигаются быстрее.

Исследование не учитывает влияние температуры: при нагреве формамид может испаряться, нарушая структуру катода. Также нет данных о работе батареи при минусовых температурах — а это критично для уличных накопителей.

Ранее ученые разработали крошечные батареи для питания роботов.