Обеспечение работы гибридных водных цинково/медно‑сульфурных батарей при низких температурах за счёт проектирования электролита

Электроснабжение самых холодных уголков планеты

По мере того как наши энергетические системы всё в большей степени опираются на ветер и солнечную энергию, нам нужны аккумуляторы, которые безопасно могут хранить большие объёмы электроэнергии при любых погодных условиях. Большинство существующих водных (аква́) батарей испытывают трудности, когда температура значительно опускается ниже нуля, особенно если от них ждут высокой энергетической плотности. В этом исследовании показано, как продуманная переработка жидкой части батареи — электролита — может открыть новый тип цинк‑сульфурной батареи с участием меди, которая сохраняет работоспособность даже в экстремальном холоде, что делает её потенциально полезной для удалённых сетей, высокогорных станций и других суровых условий.

Почему обычные водные батареи замерзают

Водные батареи привлекательны тем, что используют воду вместо горючих органических жидкостей, что делает их более безопасными, дёшёвыми и экологичными. Однако у них есть две крупные проблемы: удельная энергия на килограмм часто невысока, и их рабочие характеристики резко ухудшаются при низких температурах. Многие современные холодоустойчивые конструкции используют положительные электроды, которые просто вставляют и удаляют ионы, что удерживает ёмкость на низком уровне, или добавляют большие количества неактивных противообледенительных добавок, которые разбавляют энергосодержание. Сера, напротив, может хранить значительно больше заряда, чем типичные электродные материалы, но до сих пор водные сульфурные батареи опирались на растворы сульфата меди, которые замерзают или становятся вялыми чуть ниже 0 °C, что делает их непригодными для глубокого холода — высоких гор, глубин океана или космоса.

Перепроектирование жидкого «сердца» батареи

Авторы решают эту проблему, заменив традиционный раствор сульфата меди на раствор тетрафторборат меди, Cu(BF4)2, тщательно настроенный до концентрации 3,5 моля на литр. При этой концентрации смесь ведёт себя почти как жидкое стекло: она слабо кристаллизуется и демонстрирует очень низкую температуру стеклования примерно −115 °C. Важно, что при этом она хорошо проводит ионы — при −60 °C ионная проводимость остаётся впечатляющей: 5,16 мСм/см, что сопоставимо с лучшими описанными низкотемпературными электролитами. Эксперименты и компьютерные моделирования объясняют причину: анионы BF4⁻ сильно взаимодействуют с молекулами воды, нарушая их обычную сеть водородных связей, что затрудняет образование ледоподобных структур, при этом позволяя ионам сохранять подвижность.

Как новый электролит ускоряет реакции

Кроме предотвращения замерзания, раствор Cu(BF4)2 также ускоряет внутренние реакции в батарее. В сочетании с сульфурным электродом на поддерживающем проводящем углеродном нанотрубчатом носителе он обеспечивает гораздо более высокие ёмкости и мощность, чем сопоставимая ячейка с сульфатом меди. Даже при очень высоких скоростях заряда и разряда новая система сохраняет большие ёмкости, а разница напряжений между зарядом и разрядом остаётся небольшой, что указывает на малые потери энергии. Детальные измерения показывают, что ионы испытывают меньше сопротивления при переходе через интерфейс жидкость‑твердое тело, а ионы меди диффундируют быстрее внутри сульфурного электрода. Моделирование предполагает, что анионы BF4⁻ частично «окутывают» ионы меди в рыхлую оболочку, которую легко снимать у поверхности электрода, снижая энергетический барьер для переноса электрона и ускоряя общую реакцию.

Сохранение работоспособности при сильном похолодании

Команда затем испытывала батарею в условиях глубокого холода. В тестовой медно‑сульфурной ячейке при −60 °C сульфурный электрод показал очень высокую ёмкость при первом цикле и затем сохранил большую обратимую ёмкость, продолжая стабильно циклироваться в течение сотен циклов при существенных токах. Превратив эту химию в практическое устройство, исследователи собрали полную цинк‑сульфурную батарею с металлическим цинком в качестве отрицательного электрода и раздельными электролитами меди и цинка, соединёнными через анионообменную мембрану. При −50 °C эта полная ячейка достигла ёмкости разряда 348 миллиампер‑часов на грамм активных металлов и энергетической плотности 339 ватт‑часов на килограмм, рассчитанных по сумме обоих электродов — показатели, которые сопоставимы или превосходят другие передовые водные батареи для низких температур.

От лабораторной ячейки к крупномасштабному хранению

Чтобы изучить практический потенциал, авторы также сконструировали версию с проточной архитектурой, где жидкости хранятся в резервуарах и перекачиваются мимо электродов — перспективная схема для крупномасштабного хранения в сетях. При −30 °C этот прототип продемонстрировал высокие площадные ёмкости, показывая, что химию можно масштабировать. Анализ стоимости указывает, что сульфурные электроды значительно дешевле на единицу хранимой энергии по сравнению со многими конкурентами, а дополнительные экономии возможны за счёт оптимизации компоновки мембраны. Хотя система всё ещё не полностью восстанавливает всю серу в исходную форму при каждом заряде, что приводит к некоторым потерям эффективности, работа наглядно демонстрирует, что тщательное проектирование электролита способно объединить высокую энергию, безопасность и работу в глубоком холоде. Для широкого круга читателей главный вывод таков: продуманная химия жидкой фазы батареи может превратить технологию, чувствительную к температуре, в надёжный энергетический резервуар для одних из самых холодных мест, где нам нужен стабильный источник питания.

Цитирование: Zhou, H., Hu, L., Liu, G. et al. Enabling low-temperature aqueous zinc/copper-sulfur hybrid batteries through electrolyte design. Nat Commun 17, 3167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69742-0

Ключевые слова: батареи для низких температур, водные цинковые батареи, сульфурные катоды, дизайн электролита, накопление энергии