Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) dokonali znaczącego przełomu w technologii magazynowania energii. Zespół pod kierownictwem Richarda Kanera i Mahera El-Kady opracował hybrydowy akumulator cynkowo-jonowy z elektrodą wykonaną metodą druku 3D, który jest w stanie pomieścić siedmiokrotnie więcej energii niż dotychczasowe systemy o podobnej konstrukcji.
Badanie, które ukazało się w czasopiśmie „Small”, zostało przeprowadzone pod przewodnictwem Sophii Uemury, która niedawno uzyskała stopień doktora na UCLA. Kluczową innowacją okazała się technologia druku 3D z wykorzystaniem lasera ultrafioletowego, co pozwoliło na stworzenie porowatej elektrody węglowej o strukturze komórkowej. Została ona następnie pokryta tlenkiem wanadu – materiałem charakteryzującym się wysoką zdolnością do gromadzenia ładunku. Powierzchnia czynna zaledwie jednego grama takiego kompozytu jest porównywalna z obszarem dziesięciu kortów tenisowych, co gwarantuje ogromną przestrzeń dla zachodzących reakcji elektrochemicznych.
Urządzenie to jest hybrydą łączącą dwa tryby gromadzenia energii: na jednej z elektrod dochodzi do interkalacji jonów cynku, podobnie jak w klasycznych bateriach, natomiast na drugiej ładunek gromadzi się w podwójnej warstwie elektrycznej, co jest domeną superkondensatorów. Tego rodzaju synergia pozwala na uzyskanie wysokiej gęstości energii bez pogorszenia parametrów szybkości ładowania i rozładowywania. Po przeprowadzeniu 1500 cykli pracy w specjalnie zaprojektowanej, wydrukowanej w 3D komórce testowej, standardowe elektrody węglowe zachowały 98% swojej pierwotnej pojemności, podczas gdy w tradycyjnych, otwartych układach tracą one swoją funkcjonalność już po niecałej setce cykli.
Przestrzenna, porowata architektura elektrody pozwala uporać się z krytycznym wyzwaniem: radykalnie zwiększa powierzchnię reakcyjną i umożliwia naniesienie znacznie większej ilości aktywnego tlenku wanadu bez zwiększania grubości samej elektrody. Naukowcy opracowali także nowatorskie ogniwo testowe w technologii druku 3D z hermetycznym zamknięciem i stałym odstępem między elektrodami, co pozwala uzyskiwać bardziej powtarzalne i wiarygodne dane niż prymitywna metoda zalewania elektrolitu w otwartym naczyniu, powszechnie stosowana w większości laboratoriów.
Mimo że wyniki te dotyczą fazy laboratoryjnej i nie stworzono jeszcze pełnowymiarowych modułów bateryjnych, potencjał tego odkrycia jest niebagatelny. Cynk występuje w przyrodzie około sto razy powszechniej niż lit, jest od niego znacznie tańszy oraz łatwiejszy w pozyskiwaniu i recyklingu, co czyni tę technologię bardzo obiecującą w kontekście stacjonarnego magazynowania energii ze źródeł odnawialnych. Wdrożenie na skalę sieciową wymaga jednak pokonania barier praktycznych i ekonomicznych: przeskalowania procesu druku 3D, zapewnienia wieloletniej trwałości materiałów w realnych warunkach eksploatacji, w tym przy wahaniach temperatury, oraz obniżenia kosztów produkcji seryjnej w przeliczeniu na kilowatogodzinę.
Odkrycie to obrazuje, jak połączenie zaawansowanych technologii wytwarzania, inżynierii materiałowej oraz nowatorskiego podejścia do projektowania układów elektrochemicznych może znacząco poprawić wydajność magazynów energii. Jest to jeden z wielu kroków, jakie muszą zostać podjęte, aby przejść od przełomowego odkrycia w laboratorium do wdrożenia przemysłowego i implementacji na szeroką skalę.
