DigitalArtSpace

Специалисты из Китая создали экологичный гидрогель, основанный на целлюлозе, извлеченной из бамбука. Эта разработка помогает устранить трудности, связанные с формированием дендритов в водных аккумуляторах, работающих на цинк-ионах. Информация об этом поступила от ученых Южно-Китайского технологического университета, расположенного в Гуанчжоу.

Во время зарядки цинк-ионных аккумуляторов на электродах формируются кристаллические образования, известные как дендриты. Данные структуры способны проникать через внутреннюю перегородку, что приводит к короткому замыканию и преждевременному выходу аккумулятора из рабочего состояния. Коммерческие сепараторы, изготовленные из стекловолокна, как правило, теряют свои свойства после 120 часов эксплуатации.

Новый гидрогель на основе бамбука не препятствует развитию дендритов, а напротив, способствует ему, выступая в роли своеобразного «молекулярного пути», который ускоряет перемещение ионов цинка. Для формирования структуры гидрогеля микрокристаллическая целлюлоза была растворена в щелочном растворе с добавлением мочевины, после чего полимеры были скреплены с использованием буры (тетрабората натрия).

Используя бамбуковые нановолокна, модифицированные окислением TEMPO, удалось повысить прочность полученной структуры. TEMPO (2,2,6,6-Тетраметилпиперидин-1-оксил) представляет собой стабильный нитроксильный радикал, применяемый в органическом синтезе. Эти нановолокна, обладающие толщиной в 3 нм, содержат значительное количество карбоксильных групп, что способствует притягиванию ионов цинка. Нановолокна выполняют две ключевые задачи: они повышают прочность геля и ускоряют миграцию ионов цинка, обеспечивая прямой химический канал. Таким образом, скорость перемещения ионов цинка в новом материале почти в два раза превышает показатели, наблюдаемые в обычных растительных материалах.

Несмотря на небольшую толщину – всего 1 мм, плёнка обладает в четыре раза большей прочностью, чем обычная целлюлоза, и сохраняет её даже под воздействием химических реагентов, применяемых в производстве аккумуляторов. В ходе тестов аккумуляторы, оснащённые новым гелем, показали ресурс в 1100 часов, в то время как аккумуляторы с традиционными сепараторами – лишь 120 часов. Также гидрогель демонстрирует устойчивость к высоким токам и температуре 45 °C. Применение гидрогеля в аккумуляторах позволяет сохранить приблизительно 80% первоначальной ёмкости после 1000 циклов заряда-разряда.

Согласно результатам исследования, поверхность цинка, покрытая новым гелем, сохраняет гладкую структуру (Ra ≈ 52 нм), в отличие от поверхности аккумуляторов с жидким электролитом, где формируются шероховатые дендритные образования (Ra ≈ 108 нм). Применённые компоненты – целлюлозный порошок, бамбук и бура – отличаются низкой стоимостью и широкой доступностью. Производство 1 см ² «приобретение «био-геля» требует лишь 8% от затрат на обычный коммерческий сепаратор.

Когда срок службы аккумулятора подходит к концу, его мембрану можно полностью разрушить с помощью фермента целлюлазы всего за четыре часа, что позволяет избежать утилизации потенциально опасных отходов. Новые аккумуляторные элементы, оснащенные гибким гелем, продолжают функционировать даже при изгибе на 90 градусов под нагрузкой, благодаря чему они могут быть использованы в «умной» одежде и носимых электронных устройствах. Специалисты подчеркивают, что химический состав нового геля может быть изменен для применения в натриевых или алюминиевых аккумуляторах.

Похожие статьи

Новый алгоритм Дарвина-Гёделя учит искусственный интеллект самостоятельно программировать.

В США производят эффективные процессоры: тайванские чипы TSMC возвращаются на родину для завершения производства.

В продаже — новая Lada Granta с увеличенным дорожным просветом

Новые модели Kia могут появиться на российском рынке.

Недорогой аналог Toyota Camry с пробегом более 2000 км завоевал популярность

Рамный внедорожник BAW 212 T01 с мощным двигателем: «Китайский УАЗ» с комфортом.