В новой проточной цинк-полийодидной батарее с окислительно-восстановительным потенциалом, описанной в Nature Communications, используется электролит, плотность энергии которого более чем в два раза превышает удельную энергию следующей лучшей проточной батареи, используемой для хранения возобновляемой энергии и поддержки энергосистемы. А его плотность энергии приближается к литий-ионной батарее, используемой для питания портативных электронных устройств и некоторых небольших электромобилей.
«Благодаря повышенной плотности энергии и присущей пожаробезопасности проточные батареи могут обеспечить длительное хранение энергии в тесных городских условиях, где пространство в дефиците», — сказал Имре Гюк, менеджер программы накопления энергии в офисе Министерства энергетики США. Поставка электроэнергии и надежность энергоснабжения, на основании которых было профинансировано это исследование. «Это повысит отказоустойчивость и гибкость местной электросети».«Еще одним неожиданным преимуществом высокой плотности энергии этого электролита является то, что он потенциально может расширить использование проточных батарей в мобильных приложениях, таких как приводы в движение поездов и автомобилей», — сказал автор исследования Вэй Ван, ученый-материаловед из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. .Плыть по течениюИ проточные, и литий-ионные батареи были изобретены в 1970-х годах, но в то время только литий-ионные аккумуляторы стали популярными.
Литий-ионные батареи могут нести гораздо больше энергии в меньшем пространстве, чем проточные батареи, что делает их более универсальными. В результате литий-ионные батареи уже много лет используются для питания портативной электроники. Коммунальные предприятия начали использовать их для хранения растущего количества возобновляемой энергии, вырабатываемой ветряными электростанциями и объектами солнечной энергетики.Но упаковка высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов может сделать их склонными к перегреву и возгоранию.
С другой стороны, проточные батареи хранят свои активные химические вещества отдельно до тех пор, пока не потребуется электричество, что значительно снижает проблемы безопасности. Эта особенность побудила исследователей и разработчиков еще раз серьезно взглянуть на проточные батареи.Противостояние конкурентам
Как и другие проточные батареи, цинк-полийодидная батарея вырабатывает энергию, перекачивая жидкость из внешних резервуаров в батарею, центральную область, где жидкости смешиваются. Внешние резервуары новой батареи PNNL содержат водные электролиты, водные растворы с растворенными химическими веществами, которые накапливают энергию.Когда аккумулятор полностью разряжен, оба резервуара содержат один и тот же раствор электролита: смесь положительно заряженных ионов цинка Zn2 + и отрицательно заряженных ионов йодида I-.
Но когда аккумулятор заряжен, в одном из резервуаров находится еще один отрицательный ион, полииодид I3-. Когда требуется энергия, две жидкости закачиваются в центральную трубу.
Внутри пакета ионы цинка проходят через селективную мембрану и превращаются в металлический цинк на отрицательной стороне пакета. Этот процесс преобразует энергию, которая химически хранится в электролите, в электричество, которое может питать здания и поддерживать работу электросети.Чтобы проверить осуществимость своей новой концепции батарей, Вэй и его коллеги из PNNL создали небольшую батарею на лабораторной столешнице.
Они смешали раствор электролита, разделив черную полийодидную жидкость цинка и прозрачную жидкость иодид цинка в двух стеклянных пузырьках в виде миниатюрных резервуаров. Шланги соединяли между флаконами, насосом и небольшим штабелем.Они подвергли 12-ваттную батарею ёмкостью, сравнимую с двумя батареями iPhone, через серию тестов, включая определение того, как различные концентрации цинка и йодида в электролите влияют на накопление энергии. Электрическая мощность измеряется в ватт-часах; электромобили используют около 350 ватт-часов, чтобы проехать одну милю по городу.
Больше мощности к немуДемонстрационная батарея для своего размера потребляет гораздо больше энергии, чем наиболее часто используемые сегодня проточные батареи: батарея с бромидом цинка и батарея ванадия. Цинково-полийодидная батарея PNNL также имела выходную мощность примерно на 70 процентов от обычной литий-ионной батареи, называемой литий-железо-фосфатной батареей, которая используется в портативной электронике и в некоторых небольших электромобилях.
Лабораторные испытания показали, что демонстрационная батарея разряжает 167 ватт-часов на литр электролита. Для сравнения: проточные батареи из бромистого цинка вырабатывают около 70 ватт-часов на литр, проточные ванадиевые батареи могут производить от 15 до 25 ватт-часов на литр, а стандартные литий-железо-фосфатные батареи могут выдавать около 233 ватт-часов на литр. Теоретически команда подсчитала, что их новая батарея могла бы разряжаться еще больше — до 322 ватт-часов на литр — если бы в электролите было растворено больше химикатов.Безопасный и универсальный, но еще не идеальный
Цинково-полийодидная батарея PNNL также более безопасна, потому что ее электролит не является кислотным, как большинство других проточных батарей. Электролит на водной основе почти невозможно загореться, и для него не требуются дорогие материалы, которые необходимы, чтобы противостоять коррозионной природе других проточных батарей.Еще одно преимущество новой проточной батареи PNNL заключается в том, что она может работать в экстремальных климатических условиях. Электролит позволяет ему хорошо работать при температурах до -4 градусов по Фаренгейту и до +122 градусов.
Многие батареи имеют гораздо меньшие рабочие окна и могут потребовать систем обогрева и охлаждения, которые сокращают чистую выработку энергии батареей.Одна из проблем, с которой столкнулась команда, заключалась в том, что металлический цинк вырос из отрицательного электрода центральной батареи и прошел через мембрану, что сделало батарею менее эффективной. Исследователи уменьшили накопление, называемое дендритом цинка, путем добавления спирта в раствор электролита.Управление образованием дендритов цинка будет ключевым фактором, позволяющим использовать цинк-полийодидные батареи PNNL в реальных условиях.
Вэй и его коллеги продолжат эксперименты с различными спиртами и другими добавками и будут использовать передовые инструменты для определения того, как материалы батареи реагируют на эти добавки. Команда также построит более крупную 100-ваттную модель батареи для дополнительных испытаний.