Китайски изследователски екип разработи първата в света газ-твърда батерия, способна да съхранява водород при нормална стайна температура и налягане, като същевременно разрежда електричество. Този пробив заобикаля екстремните условия, изисквани от конвенционалните методи за задържане на водород.
Констатациите бяха публикувани в рецензираното научно списание Joule в сряда.
„В сравнение с конвенционалните батерии, използващи течни електролити – химическата среда, която позволява протичането на електрически заряд – като литиево-йонните батерии, изцяло твърдотелните батерии основно решават проблема с безопасността на запалимостта на батериите“, каза Чен Пинг, съответният автор на изследването и изследовател в Далианския институт по химическа физика на Китайската академия на науките.
„Те също така предлагат потенциални предимства като по-висока енергийна плътност, което означава, че могат да съхраняват повече енергия в по-малък размер, подобрена производителност на цикъла и по-широк работен температурен диапазон, което ги прави ключова посока за развитие на електрохимични технологии за съхранение на енергия от следващо поколение“, добави Чен.
Въпреки това, широко изследваните литиево-йонни твърди батерии все още се сблъскват с препятствия. Те включват лош контакт между твърдите компоненти, бавно движение на електрическите заряди, големи промени в размера на електродите на батерията по време на работа и високи разходи. Тези проблеми пречат на тяхната ефективност и ограничават прехода им от лабораторно към масово производство.
За да се справи с тези проблеми, екипът на Чен предложи нов подход през 2018 г. Те предложиха използването на хидридни йони – водородни атоми с допълнителен електрон, които носят отрицателен заряд – като носители на заряд в изцяло твърдотелни батерии. Тези йони са силно реактивни, съхраняват голямо количество енергия и разчитат на изобилие от природни ресурси. Най-важното е, че те предотвратяват образуването на метални дендрити, които са подобни на игли структури, които могат да растат вътре в батерията, да причинят късо съединение и да създадат рискове за безопасността.
Екипът също така разработи нов електролит, за да поддържа плавното движение на тези хидридни йони дори при ниски температури и впоследствие провери неговата използваемост в изцяло твърда хидридна йонна прототипна батерия, разработена миналата година.
Надграждайки предишния си напредък, екипът въведе водороден газ в реакцията на батерията, позволявайки й да работи в широк температурен диапазон от минус 20 C до 90 C. Батерията използва реакция на отделяне на топлина между магнезий и водород, които действат като активни материали съответно за отрицателния и положителния полюс на батерията. Топлината, генерирана от тази реакция, се използва за производство на електрическа мощност. В тази настройка твърдият електролит служи като магистрала за преминаване на хидридните йони, докато електроните преминават през външен проводник към захранващите устройства.
Експериментите показват, че първоначалният капацитет на разреждане на батерията – мярка за това колко електрическа енергия може да бъде освободена от материалите на батерията – може да достигне 1526 милиампер часа на грам. Впечатляващо, той запази над 70 процента от капацитета си след 60 цикъла на зареждане-разреждане.
Освен това, когато 10 малки батерии бяха подредени заедно, за да се създаде по-голям пакет батерии, той генерира повече от 2,4 волта и успешно захранва LED крушка, демонстрирайки практическия потенциал на технологията.
Трябва да се отбележи, че по време на разреждането водородът се превръща в хидридни йони, докато металът се окислява до образуване на магнезиев хидрид. Процесът се обръща по време на зареждане: магнезиевият хидрид освобождава водороден газ и се превръща обратно в метал, което позволява на водорода да бъде безопасно заключен в твърдия метал.
„Системата може да функционира както като батерия за съхранение на енергия, така и като резервоар за водород, постигайки ефективно съхранение на водород при температура и налягане на околната среда“, каза Чен.
„Като устройство за съхранение на енергия, батерията има ефективност на зареждане-разреждане от около 56 процента, което оставя значително място за подобрение. Въпреки това, когато се използва като решение за съхранение на водород, нейната ефективност на използване на водородна енергия може да достигне 93,9 процента, което е с една трета по-високо от това на традиционните термични методи за съхранение на водород“, добави тя.
Тази работа отвори нов път за съхранение на водород. Той напълно избягва екстремните условия, изисквани от конвенционалните физични методи, като компресиране на водороден газ под смазващо налягане от 700 атмосфери или охлаждане до хладна температура минус 253 C, за да го превърне в течност.
Чен отбеляза, че тази батерия все още е в етап на изследване и развитие, което прави общата й пазарна цена трудна за определяне. Въпреки това, предварителната оценка на материалните разходи е обещаваща. Магнезият и суровите химически блокове за електролита струват няколко десетки хиляди юана на метричен тон (10 000 юана са около 1470 долара), което е относително ниско в сравнение с масовите батерии, използвани днес.
Екипът ще продължи да оптимизира производителността на батерията, разработвайки превъзходни материали, изследвайки широкомащабни процеси на сглобяване и ускорявайки индустриализацията, добави Чен.
Нашия източник е Българо-Китайска Търговско-промишлена палaта