Стремление к чистой и устойчивой энергетике увеличивается с каждым годом, и исследователи постоянно внедряют инновации для совершенствования систем накопления энергии. Литий-ионные аккумуляторы, хотя и являются доминирующими, имеют серьезные проблемы с безопасностью: они содержат легковоспламеняющиеся электролиты.
Благодаря своим негорючим свойствам цинк-бромные аккумуляторы (FLZBB) являются многообещающей альтернативой. Однако их широкому внедрению препятствует досадная проблема, называемая саморазрядом. Поэтому значительным достижением в области технологии накопления энергии стала разработка нового электрода, который эффективно подавляет вредное явление саморазряда в цинк-бромных аккумуляторах.
Значительный вклад в исследования и разработку революционного электрода, который решает эту проблему напрямую, прокладывая путь к будущему, основанному на безопасных и эффективных FLZBB, внесла в последнее время команда исследователей из Института науки и технологий Кванджу (GIST) в Южной Корее.
В ходе своих исследований они показали, что аккумуляторы FLZBB обладают рядом преимуществ по сравнению с литий-ионными батареями. В частности, они более безопасны, экономичны и просты по конструкции. В их состав входят положительный и отрицательный электроды, разделительный элемент и гелеобразный электролит.
Однако во время работы ионы брома, образующиеся на положительном электроде, могут мигрировать на отрицательный электрод, вызывая саморазряд и снижая производительность. Это было серьезным препятствием для использования и коммерциализации цинк-бромных аккумуляторов.
Профессор Чанхо Пак (Chanho Pak) и его команда, включая Янгина Чо (Youngin Cho), первого автора исследования, разработали новый электрод, который эффективно предотвращает саморазряд. Это электрод из толстого графитового войлока, легированного азотом, с мезопористым углеродным покрытием (NMC/GF).
Электрод NMC/GF изготавливается простым и экономичным способом. Исследователи покрыли стандартный графитовый электрод материалами из войлока с последующей сушкой и отверждением. «Волшебство» заключается в мезопорах (крошечных отверстиях), образуемых покрытием NMC. Эти мезопоры, наряду со стратегически расположенными азотными центрами, действуют как крошечные клетки, удерживая ионы брома внутри положительного электрода. Это эффективно предотвращает их попадание на отрицательный электрод, останавливая саморазряд.
“Это покрытие сделало изначально гидрофобные электроды GF ультрагидрофильными, улучшив межфазный контакт с электролитом в водном электролите и улучшив электрохимические характеристики”, - рассказывает профессор Пак о преимуществах электрода NMC/GF. “Кроме того, это позволило использовать большое количество кислорода и азота, что улучшило скорость реакции с бромом и еще больше повысило производительность”.
Аккумуляторы FLZBB, оснащенные электродом NMC/GF, продемонстрировали исключительную эффективность: кулоновский КПД составил 96%, а энергоэффективность – 76% при определенной плотности тока. Они также обеспечивают высокую емкость (количество заряда, накопленного на единицу площади) - 2 мАч/см2. Кроме того, эти аккумуляторы продемонстрировали замечательную долговечность, выдержав более 10 000 циклов зарядки и разрядки, что свидетельствует об их долговременной стабильности. Как показали исследования, использование толстого электрода GF потенциально может снизить стоимость батареи.
В пресс-релизе Пак и его команда, воодушевленная перспективами, указала: “Разработка положительного электрода FLZBB, который обеспечивает длительную работу в течение 10 000 циклов с высокой эффективностью, ускорит разработку стабильных ESSS и экологически чистого преобразования энергии в долгосрочной перспективе. Кроме того, положительный электрод NMC/GF можно использовать и для других аккумуляторов на водной основе.”
Как отмечают эксперты, этот прорыв может революционизировать мир хранения энергии. С появлением на горизонте более безопасных, стабильных и долговечных аккумуляторов FLZBB путь к чистой и устойчивой энергетике в будущем кажется немного более светлым.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.