Ученые во главе с исследователем из Орегонского государственного университета разработали новый электролит, который повышает эффективность металлического цинкового анода в цинковых батареях почти до 100%, что является прорывом на пути к альтернативе литий-ионным батареям для крупномасштабного хранения энергии.

Исследование является частью продолжающегося глобального поиска новых химических элементов аккумуляторов, способных хранить возобновляемую солнечную и ветровую энергию в электрической сети для использования, когда солнце не светит и ветер не дует.

Сюлей «Дэвид» Джи из Научного колледжа ОГУ и сотрудничество, в которое входили HP Inc. и GROTTHUSS INC., дочерняя компания штата Орегон, сообщили о своих выводах в журнале Nature Sustainability.

«Этот прорыв представляет собой значительный шаг вперед на пути к тому, чтобы сделать цинковые металлические батареи более доступными для потребителей», — сказал Цзи. «Эти батареи необходимы для установки дополнительных солнечных и ветряных электростанций. Кроме того, они предлагают безопасное и эффективное решение для домашнего хранения энергии, а также модули хранения энергии для сообществ, уязвимых перед стихийными бедствиями».

Батарея хранит электричество в виде химической энергии и посредством реакций преобразует ее в электрическую энергию. Существует множество различных типов батарей, но большинство из них работают одинаково и содержат одни и те же основные компоненты.

Каждая батарея имеет два электрода — анод, от которого электроны вытекают во внешнюю цепь, и катод, который получает электроны из внешней цепи — и электролит, химическая среда, которая разделяет электроды и обеспечивает поток ионов между ними. .

Опираясь на безопасный и распространенный металл, батареи на основе цинка обладают высокой энергоемкостью и рассматриваются как возможная альтернатива широко используемым литий-ионным батареям для хранения энергии в сети , производство которых зависит от сокращения запасов редких металлов, таких как кобальт и никель. Кобальт и никель также токсичны и могут загрязнять экосистемы и источники воды , если они выщелачиваются со свалок.

Кроме того, электролиты в литий-ионных батареях обычно растворяются в легковоспламеняющихся органических растворителях, которые часто разлагаются при высоких рабочих напряжениях. Другие проблемы безопасности включают дендриты, которые напоминают крошечные деревья, растущие внутри батареи. Они могут пробить сепаратор, как чертополох, растущий сквозь щели на подъездной дорожке, что приведет к нежелательным, а иногда и опасным химическим реакциям.

«Цинко-металлические батареи — одна из ведущих технологий-кандидатов для крупномасштабного хранения энергии», — сказал Цзи. «В нашем новом гибридном электролите используется вода и обычный растворитель для аккумуляторов, который является негорючим, экономичным и мало воздействует на окружающую среду. Электролит состоит из растворенной смеси недорогих хлоридных солей, основной из которых является хлорид цинка».

По словам Цзи, стоимость электроэнергии, поставляемой хранилищем, состоящим из цинковых батарей, может быть конкурентоспособной с электроэнергией, произведенной на ископаемом топливе, только если батарея имеет длительный срок службы в тысячи циклов. Однако до настоящего времени срок службы был ограничен из-за плохой обратимости цинкового анода.

Во время зарядки, объясняет Цзи, катионы цинка в электролите приобретают электроны и оседают на поверхности анода. Во время разряда анод с покрытием отдает электроны для работы, растворяясь в электролите.

«Этот процесс цинкования и растворения часто оказывается крайне необратимым», — сказал Цзи. «А именно, некоторые электроны, используемые в металлизации, не могут быть восстановлены во время разряда. Это проблема в области, известной как кулоновская эффективность».

Кулоновская эффективность, или CE, является мерой того, насколько хорошо электроны передаются в батареях, отношение общего заряда, извлеченного из батареи, к заряду, полученному в течение полного цикла. Литий-ионные аккумуляторы могут иметь КЭ более 99%.

Новый электролит, разработанный Джи и его сотрудниками, в том числе учеными из Массачусетского технологического института, штата Пенсильвания и Калифорнийского университета в Риверсайде, обеспечил КЭ 99,95%.

«Основная проблема с цинковыми батареями заключается в том, что цинк реагирует с водой в электролите с образованием газообразного водорода в так называемой реакции выделения водорода», — сказал Цзи. «Эта паразитарная реакция приводит к короткому сроку службы, а также представляет собой потенциальную угрозу безопасности».

Однако новый электролит ограничивает реакционную способность воды и почти останавливает реакцию выделения водорода, образуя «пассивный слой» на поверхности анода. Подобный пассивирующий слой позволил начать коммерциализацию литий-ионных аккумуляторов в 1990-х годах.

Джи благодарит коллегу-химика OSU Чонга Фана за раскрытие атомной структуры электролита с помощью фемтосекундной рамановской спектроскопии и Алекса Грини из Калифорнийского университета в Риверсайде за определение механизма пассивации.

«Кроме того, стоит отметить, что эффективность, которую мы измерили, была получена в суровых условиях , которые не маскируют никаких повреждений, вызванных реакцией выделения водорода», — добавил Цзи. «Прорыв, о котором здесь сообщается, предвещает коммерциализацию металлических цинковых батарей в ближайшем будущем для крупномасштабного сетевого хранения».