Исследователи из Университета Флиндерса в Аделаиде (Австралия) разработали водный цинк-йодный аккумулятор, который выдерживает более 60 000 циклов заряда-разряда и способен заряжаться примерно за три минуты. Результаты работы опубликованы в журнале Angewandte Chemie и могут быть легко представлены как «аккумулятор мечты» — настолько выдающиеся характеристики у этого элемента. Впрочем, это решение для коммунальщиков и вряд ли оно появится в быту.

Интересный аккумулятор использует водный электролит на основе йодида калия с добавлением хлорида цинка и этиленгликоля, что позволяет одновременно решить две ключевые проблемы таких систем: рост цинковых дендритов и нежелательный перенос полииодидов между электродами. Но оно того стоит: батарея сохраняет 83,8 % первоначальной ёмкости после 60 000 циклов при 100 % глубине разряда.

Техническая суть решения заключается в изменении химии электролита на молекулярном уровне. Этиленгликоль формирует вокруг ионов йода так называемую сольватную оболочку, которая резко снижает их подвижность и предотвращает их просачивание через разделительную мембрану, а хлорид-ионы адсорбируются на цинковом аноде и направляют осаждение цинка по безопасной с точки зрения роста дендритов (игл) кристаллографической плоскости. Это обеспечивает равномерный рост электрода без образования игольчатых структур, обычно ведущих к короткому замыканию. При плотности тока 20 мА/см² и напряжении до 1,3 В полный заряд достигается за три минуты, а удельная ёмкость составляет 0,45 мА·ч/см² при 1 мА/см².

Дополнительное преимущество разработки — простая и фиксированная конструкция без насосов, резервуаров и сложных систем циркуляции электролита, характерных для проточных батарей. Это упрощает масштабирование и снижает стоимость системы хранения. Прототип в формате пакетного элемента ёмкостью 2,1 А·ч показал кулоновскую эффективность 99,7 % на протяжении 2000 циклов. Батарея также отличилась широким температурным диапазоном: этиленгликоль действует как антифриз, позволяя устройству работать при температурах от −20 °C до 60 °C с сохранением 78 % ёмкости при −20°C после 500 циклов.

Разработчики отмечают, что высокая скорость зарядки в сочетании с исключительным циклическим ресурсом делает технологию перспективной для стационарного хранения энергии, особенно в сетях с большой долей солнечной и ветровой генерации. Если результаты лабораторных прототипов подтвердятся при масштабировании, водные цинк-йодные батареи смогут составить конкуренцию литий-ионным и ванадиевым системам в сегменте накопителей длительностью от четырёх до восьми часов, где определяющими факторами являются стоимость за цикл и скорость отклика.

Данный тип батарей особенно интересен для Австралии, запасы природного цинка у которой являются крупнейшими на планете и достигают 28 % мировых. Это также важно с позиции отсутствия зависимости от поставок лития из Китая, с чем в будущем будет всё больше проблем. Единственный минус разработки — относительно меньшая плотность запасаемой энергии — в разы меньше, чем у лучших современных литиевых аккумуляторов, но с учётом всех остальных достоинств это мечта для создателей систем хранения энергии промышленного масштаба.

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме