Кальцій хоче змістити літій: ця нова батарея вже пройшла понад 1.000 циклів
Протягом останніх років натрієві акумулятори почали привертати увагу як один із найцікавіших варіантів для зменшення залежності від літієвих акумуляторів. Але вони не єдині. Кальцій також поступово стає перспективною альтернативою для зберігання енергії, і нещодавно дослідники з Університету наук та технологій Гонконгу та Шанхайського університету Цзяотун досягли особливо значущого прориву у цій галузі.
Основною проблемою кальцієвих акумуляторів досі було забезпечення достатньо легкого руху іонів кальцію всередині акумулятора. До цього додавалася ще одна важлива складність — підтримання стабільних характеристик після багатьох циклів заряджання та розряджання. Нове дослідження вирішує саме ці дві проблеми шляхом створення нового електроліту квазисухого типу.
Ключем є матеріали, відомі як ковалентні органічні структури з оксидно-відновною активністю, які мають пористу структуру та багаті на карбонільні групи. Простіше кажучи, дослідники створили своєрідну внутрішню мережу, яка полегшує рух іонів кальцію всередині акумулятора. Саме цей рух досі серйозно обмежував розвиток цієї технології.
Результати, отримані в лабораторії, є досить вражаючими. Повна клітина, розроблена командою, досягла зворотної питомої ємності 155,9 мА·г, водночас зберігши понад 74,6% своєї ємності після 1 000 циклів заряджання та розряджання при високому струмі. Для технології, яка все ще знаходиться на стадії досліджень, це є значним результатом.
Цю роботу спільно провели дослідники Університету науки та технологій Гонконгу та Шанхайського університету Джяотун, і вона була опублікована у науковому журналі Advanced Science. Дослідження спочатку було опубліковане у листопаді 2025 року, а згодом включене до тому за 2026 рік цього видання.
Кальцій прагне стати справжньою альтернативою для акумуляторів
Інтерес до кальцію не є випадковим. Це елемент, який дуже поширений на Землі та значно доступніший за літій, що відкриває можливості для створення систем зберігання за допомогою сировини, яку може бути легше отримати. Згідно з інформацією, опублікованою самим університетом, кальцій є значно поширенішим на Землі, ніж літій, що є одним із аргументів, які пояснюють зростаючий інтерес до цієї технології.
Крім того, кальцієві акумулятори мають певні електрохімічні властивості, які роблять їх особливо привабливими для зберігання енергії. Проблема полягає у тому, що одне — це наявність матеріалу у великих кількостях, а зовсім інше — створення акумулятора, здатного конкурувати за характеристиками, довговічністю та вартістю з сучасними літієвими акумуляторами.
Саме тут вступає в гру новий електроліт, розроблений дослідниками. Використані структури утворюють внутрішні канали, які дозволяють набагато ефективніше транспортувати іони кальцію. Під час випробувань при кімнатній температурі була досягнута іонна провідність 0,46 мС/см та коефіцієнт переносу кальцію 0,532.
Найважливіше те, що досягнення не обмежились лише окремим тестуванням матеріалів. Команда змогла сконструювати повну батарею на основі кальцію та перевірити її роботу протягом сотень циклів. Збереження понад 74,6% ємності після 1.000 циклів є кроком уперед порівняно з деякими основними проблемами, які досі стримували розвиток цієї технології.
Це зовсім не означає, що ми найближчим часом побачимо електромобілі з акумуляторами на кальції. До того, як ці лабораторні результати можна буде перенести на комерційний акумулятор, залишається ще багато кроків, особливо щодо таких аспектів, як енергетична щільність, потужність, поведінка при різних температурах, виробництво у великих масштабах, вартість та довговічність у реальних умовах.
Проте цей результат дійсно демонструє, що акумулятори на кальції починають долати деякі з фундаментальних перешкод, які існували раніше. І це може бути особливо цікавим у застосуваннях, де велике значення мають вартість та наявність сировини, — від стаціонарного зберігання енергії, пов’язаного з відновлюваними джерелами, до потенційних електромобілів у майбутньому.
Насправді сам Університет науки та технологій Гонконгу спрямований на розробку застосувань, які охоплюють від систем зберігання енергії з відновлюваних джерел до електромобілів. Метою не є заміна літієвих акумуляторів вже завтра, а доведення того, що існують альтернативні шляхи, здатні забезпечити достатню продуктивність для обґрунтування нових досліджень.
І тут, ймовірно, найцікавіша частина. Змагання за створення акумулятора майбутнього не обмежується однією технологією. Натрій, кальцій, акумулятори з твердим електролітом та інші рішення розвиваються паралельно. Деякі з них зрештою відіграють важливу роль у електромобілях, тоді як інші можуть знайти своє застосування у зберіганні електроенергії.
Наразі батарея на кальції, розроблена цими дослідниками, є лише лабораторним прототипом. Однак те, що вдалося поєднати майже твердий електроліт, здатний сприяти руху іонів кальцію, з терміном служби 1 000 циклів, доводить, що цю хімію вже не можна вважати просто теоретичною альтернативою. Кальцій починає серйозно стукати у двері батарей наступного покоління.
Джерело | Advanced
Ключові моменти
Дослідники з Гонконгу та Шанхая розробили нову батарею на кальції.
Вона використовує майже твердий електроліт, заснований на ковалентних органічних структурах.
Нова структура сприяє руху іонів кальцію.
Акумулятор досяг показника зворотної ємності 155,9 мА·г/г.
Після 1 000 циклів він зберіг більше 74,6% своєї ємності.
Кальцій є значно поширенішим за літій і може зменшити залежність від більш обмежених сировин.
Це все ще експериментальна технологія, і до її використання у електромобілях залишаються значні виклики.
Статичне зберігання та відновлювані джерела енергії можуть стати одними з перших сфер її застосування.