Дослідники Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі досягли значного прориву в технологіях накопичення енергії. Команда під керівництвом Річарда Канера та Махера Ель-Каді розробила цинк-іонний гібридний акумулятор із електродом, виготовленим методом 3D-друку, який здатний зберігати в сім разів більше енергії, ніж існуючі аналоги.
Дослідження, опубліковане в журналі Small, очолила Софія Уемура, яка нещодавно захистила докторську дисертацію в UCLA. Ключовою інновацією стала технологія 3D-друку з використанням ультрафіолетового лазера, що дозволило створити пористий вуглецевий електрод із комірчастою структурою. Згодом цей електрод покрили оксидом ванадію — матеріалом, який надзвичайно ефективно накопичує заряд. Площа поверхні лише одного грама такого композиту дорівнює приблизно десяти тенісним кортам, що забезпечує колосальну площу взаємодії для електрохімічних реакцій.
Пристрій працює як гібрид, поєднуючи два режими накопичення енергії: на одному електроді відбувається інтеркаляція іонів цинку (як у традиційних батареях), а на іншому — накопичення заряду в подвійному електричному шарі (як у суперконденсаторах). Таке поєднання дозволяє досягти високої щільності енергії без шкоди для швидкості заряджання та розряджання. Після 1500 циклів заряджання-розряджання у спеціально розробленій 3D-друкованій тестовій комірці стандартні вуглецеві електроди зберегли 98% ємності, тоді як у звичайних відкритих установках вони втрачають працездатність менш ніж за сотню циклів.
Об’ємна пориста архітектура електрода вирішує критичне завдання: вона збільшує доступну для реакції поверхню та дозволяє розмістити значно більше активного матеріалу оксиду ванадію без потовщення самого електрода. Дослідники також розробили інноваційний 3D-друкований тестовий елемент із герметичною кришкою та фіксованою відстанню між електродами — це забезпечує більш відтворювані та надійні результати, ніж рудиментарна методика заливання електроліту у відкриту склянку, яку використовують у більшості лабораторій.
Хоча ці результати стосуються лише лабораторної стадії і повноцінні батарейні модулі поки не створені, потенціал відкриття є величезним. Цинк приблизно в сто разів поширеніший за літій, значно дешевший, його простіше видобувати та переробляти — це робить технологію привабливою для стаціонарного зберігання енергії від сонячних та вітрових станцій. Для впровадження в енергомережі необхідно подолати практичні та економічні перешкоди: масштабування процесу 3D-друку, забезпечення довгострокової стабільності матеріалів за реальних умов експлуатації, включаючи температурні коливання, а також зниження собівартості кіловат-години в серійному виробництві.
Відкриття демонструє, як комбінація передових технологій виробництва (3D-друк), матеріалознавства (оксид ванадію в пористому вуглецевому каркасі) та електрохімічного дизайну (гібридна батарея-суперконденсатор) здатна кардинально поліпшити характеристики енергосховищ. Це один із багатьох кроків, що мають передувати переходу від лабораторного прориву до промислового втілення та розгортання в енергомережах.
