Корейские и американские инженеры научились создавать цинк-ионные аккумуляторы произвольной формы, которые могут без вреда для них контактировать с воздухом или влагой. Для демонстрации возможностей метода авторы создали несколько носимых устройств, в том числе кольцо с датчиком темноты.

Статья с описанием разработки опубликована в ACS Nano.

На сегодняшний день в большинстве устройств используются литий-ионные аккумуляторы. Их главное преимущество заключается в высокой плотности энергии. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы обладают и множеством недостатков. В них используется литий, запасы которого ограничены, поэтому сырье для их создания стоит достаточно дорого.

Кроме того, в них зачастую используется огнеопасный органический электролит, а из-за образования на электродах литиевых дендритов такие аккумуляторы нередко самопроизвольно загораются из-за короткого замыкания. Из-за этого ученые исследуют другие материалы для создания аккумуляторов, в том числе цинк, аккумуляторы из которого более безопасны и устойчивы к воздействию окружающей среды.

Инженеры под руководством Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) из Гарвардского университета разработали новый метод создания цинк-ионных аккумуляторов, позволяющих задавать им сложную форму, удобную для использования в носимых устройствах. Сначала создается несплетенный массив волокон полиакрилонитрила диаметром около 1–1,5 микрометра. После этого массив подвергают карбонизации путем двухчасового нагревания до 900 градусов Цельсия в атмосфере аргона. В результате полимерные волокна превращаются в углеродные и уменьшаются в диаметре до 370 нанометров. В таком виде волокна служат в качестве хорошего гибкого токоприемника. После карбонизации их покрывают полианилином, который часто используется в цинк-ионных аккумуляторов в качестве катода.

Схема создания катода / Chanhoon Kim et al. / ACS Nano, 2018

Для сборки полноценного аккумулятора инженеры брали вырезанные в нужную форму катод, анод из цинковой пластины, сепаратор из стекловолокна, а также клеммы, выполненные из полиимида, покрытого углеродом. Кроме того, инженеры добавили в аккумулятор электролит, состоящий из одномолярного раствора хлорида цинка. Снаружи аккумулятор защищает пластиковый корпус.

Схема и микроструктура одного из прототипов аккумулятора / Chanhoon Kim et al. / ACS Nano, 2018

Инженеры создали множество прототипов аккумуляторов и проверили их характеристики. При различных темпах разрядки аккумулятор был способен выдавать напряжение от 0,7 до 1,7 вольта, а его удельная емкость составляла 165 миллиампер-часов на грамм. Тесты на ресурс аккумулятора показали, что после ста циклов зарядки-разрядки его емкость снижается лишь на 15 процентов.

Прототип кольца с датчиком темноты / Chanhoon Kim et al. / ACS Nano, 2018

Для демонстрации преимущества метода инженеры создали прототип кольца, внутри которого расположен аккумулятор, а сверху – датчик темноты. Он состоит из простой платы с фотодетектором и светодиодом. При падении освещения до определенного уровня плата включает светодиод, питаемый от аккумулятора.