Команда из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики определила этот драгоценный камень хранения энергии после того, как поняла, что новая батарея работает не так, как они предполагали. Журнал Nature Energy опубликовал сегодня статью, в которой описывается аккумулятор.
«Идея перезаряжаемых цинково-марганцевых батарей не нова; исследователи изучают их как недорогую и безопасную альтернативу литий-ионным батареям с конца 1990-х», — сказал сотрудник лаборатории PNNL Джун Лю, автор статьи. «Но эти батареи обычно перестают работать после нескольких зарядов. Наши исследования показывают, что эти сбои могли произойти из-за того, что мы не смогли контролировать химическое равновесие в перезаряжаемых цинково-марганцевых системах хранения энергии».Химически склонныйПосле многих лет сосредоточения внимания на перезаряжаемых литий-ионных батареях исследователи привыкли думать о возвратно-поступательном движении ионов лития.
Литий-ионные батареи накапливают и выделяют энергию посредством процесса, называемого интеркаляцией, при котором ионы лития входят и выходят из микроскопических пространств между атомами двух электродов батареи.Эта концепция настолько укоренилась в исследованиях накопителей энергии, что, когда ученые PNNL в сотрудничестве с Вашингтонским университетом начали рассматривать недорогую и безопасную альтернативу литий-ионным батареям — перезаряжаемую цинково-марганцевую батарею, — они предположили, что цинк подойдет. аналогичным образом перемещайте и вынимайте электроды этой батареи.После серии тестов команда с удивлением обнаружила, что их устройство претерпевает совершенно другой процесс. Вместо того, чтобы просто перемещать ионы цинка, их цинк-марганцевооксидная батарея претерпевала обратимую химическую реакцию, которая превращала ее активные материалы в совершенно новые.
Привлекательная альтернативаЛю и его коллеги начали исследовать перезаряжаемые марганцево-цинковые батареи, потому что они выглядят привлекательно на бумаге.
Они могут быть такими же недорогими, как свинцово-кислотные батареи, потому что в них используются недорогие материалы (цинк и марганец) в большом количестве. А плотность энергии батареи может превышать свинцово-кислотные батареи. Ученые PNNL надеялись, что им удастся создать батарею с более высокими характеристиками, если глубже проникнуть во внутреннюю структуру батареи из оксида цинка и марганца.Поэтому они создали свою собственную батарею с отрицательным цинковым электродом, положительным электродом из диоксида марганца и электролитом на водной основе между ними.
Они пропускают небольшие тестовые батарейки размером с кнопку через отжим, многократно заряжая и разряжая их. Как выяснили до них другие, их тестовая батарея быстро потеряла способность накапливать энергию всего за несколько циклов зарядки.
Но почему?Детальное расследованиеЧтобы выяснить это, они сначала провели подробный химический и структурный анализ материалов электролита и электродов. Они были удивлены, не обнаружив доказательств взаимодействия цинка с оксидом марганца во время процессов заряда и разряда батареи, как они изначально ожидали.
Неожиданное открытие заставило их задуматься, не подверглась ли батарея простому процессу интеркаляции, как они думали ранее. Возможно, цинк-марганцевая батарея меньше похожа на литий-ионную, а больше похожа на традиционную свинцово-кислотную батарею, которая также основана на реакциях химического преобразования.Чтобы копнуть глубже, они исследовали электроды с помощью нескольких передовых инструментов с использованием различных научных методов, включая просвечивающую электронную микроскопию, ядерный магнитный резонанс и дифракцию рентгеновских лучей. Используемые инструменты находились как в PNNL, так и в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде (EMSL), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США, расположенном в PNNL.
Сочетание этих методов показало, что оксид марганца обратимо реагирует с протонами электролита на водной основе, в результате чего был создан новый материал — гидроксилсульфат цинка.Обычно цинково-марганцевые батареи значительно теряют емкость всего за несколько циклов. Это происходит потому, что марганец с положительного электрода батареи начинает оседать, делая активный материал батареи недоступным для хранения энергии. Но после того, как некоторое количество марганца растворяется в электролите, батарея постепенно стабилизируется, и емкость аккумулятора выравнивается, хотя и на гораздо более низком уровне.
Простое исправлениеКоманда использовала новые знания, чтобы предотвратить выпадение марганца. Зная, что батарея подверглась химическому превращению, они определили, что скорость растворения марганца можно замедлить, увеличив исходную концентрацию марганца в электролите.
Поэтому они добавили ионы марганца к электролиту в новой тестовой батарее и подвергли обновленную батарею еще одному раунду тестов. На этот раз испытательная батарея смогла достичь емкости хранения 285 миллиАмпер-часов на грамм оксида марганца за 5000 циклов, сохранив при этом 92 процента своей первоначальной емкости.«Это исследование показывает, что необходимо контролировать равновесие во время реакции химического превращения, чтобы улучшить характеристики цинко-марганцевых батарей», — сказал Лю. «В результате батареи из оксида цинка и марганца могут быть более жизнеспособным решением для крупномасштабного хранения энергии, чем литий-ионные и свинцово-кислотные батареи, используемые сегодня для поддержки сети».Команда продолжит свои исследования основных операций цинково-марганцевой батареи.
Теперь, когда они изучили продукты химических превращений батареи, они перейдут к определению различных промежуточных этапов создания этих продуктов. Они также повозятся с электролитом аккумулятора, чтобы увидеть, как дополнительные изменения повлияют на его работу.
Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики и использовало ресурсы Лаборатории молекулярных наук в окружающей среде (EMSL), пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики, расположенного в PNNL.