Ісмаель Родрігес Перес створив новий тип електролітичних комірок для подвійних іонних акумуляторів.
Фото: Андреа Старр | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія
Широке застосування відновлюваних джерел енергії вимагає використання правильного типу акумулятора – безпечного, стійкого, потужного, довговічного та виготовленого з матеріалів, які є у великій кількості. Завдяки вченим Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL) ми можемо стати на крок ближче до реалізації цієї ідеї.
У співпраці з колегами з Аргонської національної лабораторії та Дослідницького центру акумуляторних батарей MEET в Університеті Мюнстера (Німеччина) науковець Ісмаель Родрігес Перес сформулювали новий тип елементу для подвійних іонних акумуляторів (ПІА). У новому ПІА, який називається графіт||цинково-водним подвійним іонним акумулятором, використовується цинковий анод і природний графітовий катод у водному електроліті.
Успішне використання графітового катоду у водному електроліті
Використання водних електролітів не є новиною, як і використання графіту у якості катоду. Насправді літій-іонні батареї використовують графіт, як анодний компонент, а неводні ПІА використовують графіт, як анод, так і катод.
Для цього Родрігес Перес та його команда надали водному електроліту додаткового імпульсу, використовуючи висококонцентрований розчин “water-in-bisalt”. Розчин збільшує електрохімічну стабільність електроліту і дає можливість використання графіту в якості катодного матеріалу в водяній системі – те, що раніше вважалося неможливим. Це допомагає стабілізувати електроліт при високих напругах, дозволяючи графіту електрохімічно окислюватися водним електролітом.
“Це просто велика кількість цікавих речей, зібраних разом”, – сказав Родрігес Перес. “Концентрація солі настільки висока, що майже води в ній немає. Отже, водний електроліт не розкладається під напругою, де б можна було використовувати графіт. Це найдивовижніший результат”.
Родрігес Перес згадує попередні дослідження, проведені Кан Сю з Науково-дослідної лабораторії армії США та Чуншен Ван з Університету штату Меріленд, який вперше використав висококонцентровані водні електроліти в 2015 році.
Під час тестування акумулятор показав перспективні характеристики. Приблизно від 2,3 до 2,5 вольт, як один з найвищих робочих потенціалів будь-якої водної батареї.
“Ми працюємо на вищих напругах, ніж будь-яка інша цинкова батарея, а також будь-які інші водні батареї”, – додав Родрігес Перес.
Родрігес Перес та його співробітники описали новий тип акумуляторних батарей у статті “Enabling Natural Graphite in High-Voltage Aqueous Graphite Zn Metal Dual-Ion Batteries“, яка була опублікована восени минулого року в Advanced Energy Materials.
Безпечніші та стійкіші акумулятори
Катоди, виготовлені на основі вуглецю, дешевші та стійкіші за екологічно шкідливі, дефіцитні та дорогі метали, такі, як нікель та кобальт, які регулярно використовуються в літій-іонних батареях. Використання водного електроліту також робить ПІА більш безпечними, оскільки вони не є легкозаймистими порівняно з комерційними літій-іонними акумуляторами.
“Під час досліджень акумуляторів ми намагаємось досягти кількох результатів, які мають вирішальне значення для прийняття їх на ринок”, – сказав Родрігес Перес. “Ми хочемо використовувати дешевші та екологічніші матеріали, при цьому найголовніше збільшити термін служби батареї”.
У подвійних іонних батареях і катіони, і аніони активні і рухаються паралельно від електроліту до анода та катода відповідно.
“Хімія комірок графіт || метал зі спеціально розробленим водним електролітом може демонструвати переваги щодо вартості, стійкості та безпеки порівняно з літій-іонними батареями завдяки використовуваним матеріалам”, – пояснює Тобіас Плакке, керівник групи матеріалів в науково-дослідному центрі MEET.
Захоплюючий потенціал для стаціонарного зберігання енергії
Взагалі кажучи, кожна батарея має три основні частини: позитивний електрод, який називається катодом, негативний електрод, який називається анодом, і електроліт. У літій-іонних батареях потужність генерується, коли літій-іони (позитивно заряджені іони або катіони) переходять від катода до анода і назад, рухаючись крізь електроліт. Це врівноважує заряд, коли електрони протікають через зовнішній контур від катода до анода, створюючи електрику.
У ПІА і катіони, і аніони (негативно заряджені іони) активні і рухаються паралельно від електроліту до анода та катода відповідно; це дозволяє застосовувати їх у якості суперконденсаторів. Крім того, цей механізм робить іони в електроліті активними, що дозволяє додатково оптимізувати батарею.
Але ще треба попрацювати. ПІА все ще працюють лише на третину ємності Li-іонних акумуляторів – тому вони поки не можуть з ними конкурувати.
“Якщо ми можемо досягти достатньо високої напруги для акумулятора, навіть якщо продуктивність не відповідає рівню літій-іонним акумуляторам, ми можемо збільшити подвійні іонні акумулятори та зробити їх придатним кандидатом для накопичувачів енергії”, – сказав Родрігес Перес. “Хоча ви не можете використовувати його для живлення телефону, ваша місцева комунальна служба може використовувати його для накопичення енергії для вашого будинку, стабілізації мережі та підвищення надійності”.
Світле майбутнє подвійних іонних акумуляторів
Міжнародний союз чистої та прикладної хімії додав ПІА до одної з «десятки нових технологій у хімії 2020», щоб визнати його потенціал у вирішенні «основних глобальних проблем» у майбутньому.
Продовжуючи розвивати науку, яка стоїть за накопичувачами енергії, можна отримати нові підходи та ще більше наблизити нас до широкого поширення відновлюваних джерел енергії.
І це саме те, що Родрігес Перес та його команда з PNNL мають намір зробити. Наступний крок включає оптимізацію водного електроліту “water-in-bisalt” – в даний час сіль, яка використовується в електролітичних комірках, дорожча за обидва електроди.
“PNNL знаходиться на першому етапі з цією перспективною технологією”, – сказав Родрігес Перес. “У подвійних іонних акумуляторах так багато місця для інновацій”.
Джерело інформації: https://phys.org/news/2021-02-electrolyte-boost-aqueous-dual-ion-batteries.html
Підготував провідний фахівець центру Данилюк Назарій