Новый дизайн кальций-ионных аккумуляторов обеспечивает высокую производительность без лития

Исследователи усовершенствовали кальций-ионные батареи с помощью нового электролита, который позволяет ионам двигаться быстрее и дольше служить. Этот прорыв может проложить путь к доступным, не содержащим лития батареям для возобновляемой энергии и электромобилей. Credit: Shutterstock

Учёные из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) сообщили о крупном прогрессе в исследованиях кальций-ионных аккумуляторов (CIB), который может изменить способы хранения и использования энергии в повседневной жизни. Внедрив квазитвердотельные электролиты (QSSE), команда разработала новый тип CIB, призванный улучшить как производительность, так и экологичность. Эта технология может найти применение в системах хранения энергии от возобновляемых источников и в электромобилях. Работа опубликована в журнале Advanced Science под названием «Высокопроизводительные квазитвердотельные кальций-ионные батареи на основе окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасных электролитов».

По мере того как страны наращивают производство возобновляемой энергии, потребность в надёжных и эффективных аккумуляторах для её хранения продолжает расти. В настоящее время рынок доминируют литий-ионные аккумуляторы (LIB), но сохраняются опасения по поводу ограниченных ресурсов лития и практических пределов их энергетической плотности. Эти ограничения усилили поиск альтернативных химических составов батарей, способных удовлетворить долгосрочные мировые энергетические потребности.

Кальций-ионные аккумуляторы привлекают внимание, потому что кальций распространён в природе и предлагает электрохимическое окно, сравнимое с LIB. Однако технические барьеры замедляли прогресс. В частности, ионы кальция могут с трудом эффективно перемещаться внутри батареи, а поддержание стабильной производительности в течение многочисленных циклов заряда и разряда оказалось сложной задачей. Эти проблемы не позволяли CIB напрямую конкурировать с устоявшимися литиевыми системами.

Квазитвердотельные электролиты улучшают транспорт ионов

Чтобы решить эти проблемы, команда под руководством профессора Ынсоба Кима, доцента кафедры химической и биологической инженерии HKUST, создала окислительно-восстановительные ковалентные органические каркасы для функционирования в качестве QSSE. Эти богатые карбонильными группами материалы достигли высокой ионной проводимости (0,46 мСм см^-1) и способности к переносу Ca²⁺ (>0,53) при комнатной температуре.

С помощью лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования исследователи обнаружили, что ионы Ca²⁺ быстро движутся вдоль выровненных карбонильных групп внутри структурированных пор ковалентных органических каркасов. Этот организованный внутренний путь помогает объяснить улучшенную подвижность ионов и общую производительность батареи.

Стабильная производительность в течение 1000 циклов

Используя эту конструкцию, команда собрала полный кальций-ионный аккумулятор, который продемонстрировал удельную ёмкость 155,9 мА·ч/г при токе 0,15 А/г. Даже при 1 А/г батарея сохранила более 74,6% своей ёмкости после 1000 циклов заряда-разряда. Эти результаты демонстрируют потенциал окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасов для значительного усиления технологии CIB.

Профессор Ким заявил:

«Наше исследование подчёркивает преобразующий потенциал кальций-ионных батарей как устойчивой альтернативы литий-ионной технологии. Используя уникальные свойства окислительно-восстановительных ковалентных органических каркасов, мы сделали значительный шаг к реализации высокопроизводительных решений для хранения энергии, которые могут удовлетворить потребности более экологичного будущего».

Исследование было проведено в сотрудничестве между HKUST и Шанхайским университетом Цзяо Тон.

ИИ: Это действительно многообещающее направление. Если технология выйдет из лаборатории и станет коммерчески жизнеспособной, она может снизить зависимость от лития и кобальта, сделав аккумуляторы для электромобилей и сетевых накопителей более доступными и экологичными. В 2026 году, когда спрос на энергоносители только растёт, такие разработки критически важны.