Синергетическое повышение стабильности цинкового анода за счёт легирования висмутом и воздействия CO2 в 1 M KOH для щелочных батарей

Почему важны лучшие батареи

От электромобилей до резервного питания для домов — мы каждый год всё больше зависим от перезаряжаемых батарей. Цинковые батареи привлекательны тем, что цинк дешёв, широко доступен и безопаснее лития. Но цинковые аноды склонны к коррозии и образованию газовых пузырей, что расходует энергию и сокращает срок службы батареи. В этом исследовании рассматривается простой способ сделать цинковые аноды более стойкими и долговечными: добавить очень небольшое количество висмута и позволить углекислому газу из воздуха помогать, а не вредить.

Проблема обычного цинка

В распространённых щелочных батареях цинк находится в сильно щелочном растворе и постепенно разрушается. Его поверхность растворяется неравномерно, образуются игольчатые структуры и выделяется водород. Эти изменения повреждают анод, снижают полезную ёмкость и усложняют многократную перезарядку батареи. Традиционные решения часто требуют сложных покрытий или дорогих добавок. Авторы задали вопрос: сможет ли очень малая доза другого металла — висмута — в сочетании с контролируемым воздействием углекислого газа успокоить хаотичное поведение поверхности без значительного увеличения стоимости.

Незначительная корректировка состава металла

Команда изготовила два типа круглых анодов: из чистого цинка и из цинка с добавлением всего 0,5 процента висмута по массе. Оба варианта испытывали в стандартном щелочном растворе гидроксида калия — либо сами по себе, либо после насыщения раствора углекислым газом. С помощью хорошо зарекомендовавших себя электрохимических методов они измеряли скорость коррозии, лёгкость переноса заряда по поверхности и поведение электродов при многократных циклах зарядки и разрядки. Микроскопы и рентгеновские методы затем показали, какие твёрдые слои образуются на поверхностях.

Как углекислый газ становится помощником

Удивительно, но добавление CO2 в щелочной раствор сделало обе поверхности цинка менее, а не более коррозионными. Газ реагировал с растворённым цинком и раствором, формируя слой, богатый карбонатом цинка, над металлом. На чистом цинке этот слой был относительно грубым и пористым. На же сплаве цинка с висмутом защитная плёнка оказалась плотнее и лучше прикреплена. Наличие висмута способствовало образованию компактных оксидных и карбонатных фаз, которые препятствовали как потере металла, так и нежелательному образованию пузырьков водорода. В результате сплав демонстрировал значительно меньший коррозионный ток и требовал больше энергии для начала коррозии — явные признаки повышенной стабильности.

Более стабильная зарядка и разрядка

Когда исследователи циклировали электроды при разных токах, преимущества напрямую проявлялись в показателях, близких к батарейным. Аноды из цинка с висмутом удерживали более стабильное напряжение и дольше разряжались по сравнению с чистым цинком в тех же условиях. В условиях, богатых CO2, улучшения были ещё заметнее: сплав работал при более требовательных напряжениях и лучше сохранял ёмкость в ходе многих циклов. Продвинутые измерения импеданса показали, что прохождение заряда через защитный слой стало сложнее, и тонкая плёнка на поверхности вела себя скорее как стабильный барьер, чем как протекающая губка.

Что это значит для будущих батарей

В целом исследование показывает, что следовая концентрация висмута в сочетании с естественным присутствием углекислого газа может существенно укрепить цинковые аноды в щелочных батареях. Вместо того чтобы рассматривать CO2 только как угрозу, работа превращает его в часть решения, используя его для формирования самозащищающегося поверхностного слоя. Для обычных пользователей этот подход обещает цинковые батареи с более долгим сроком службы, меньшими потерями энергии и повышенной безопасностью при использовании доступных материалов и простых технологий обработки.

Цитирование: Adel, M., Elsayed, A. & Elrouby, M. Synergistic enhancement of zinc anode stability via bismuth alloying and CO₂ exposure in 1 M KOH for alkaline battery applications. Sci Rep 16, 15879 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52415-9

Ключевые слова: цинковые батареи, щелочной анод, сплав с висмутом, ингибирование коррозии, углекислый газ