Ученые из Университета науки и технологии имени Короля Абдаллы (КАУСТ; Саудовская Аравия) обнаружили важнейшую молекулярную причину, препятствующую превращению водных аккумуляторных батарей в более безопасный и экономичный вариант устойчивого хранения энергии. Их результаты, опубликованные в журнале Science Advances, показывают, как вода снижает срок службы батареи и ее производительность и как добавление доступных солей, таких как сульфат цинка, устраняет эту проблему, даже увеличивая срок службы батареи более чем в десять раз.
Одним из ключевых факторов, определяющих срок службы батареи - водной или иной - является анод. Химические реакции на аноде генерируют и накапливают энергию батареи. Однако паразитные химические реакции разрушают анод, что сокращает срок службы батареи.
Новое исследование показывает, как свободная вода способствует этим паразитным реакциям и как сульфат цинка уменьшает количество свободной воды в батарее.
"Наши результаты подчеркивают важность структуры воды в химии аккумуляторов, ключевого параметра, который ранее упускался из виду", - сказал профессор КАУСТ и председатель Центра передового опыта KAUST в области возобновляемых источников энергии и технологий хранения (CREST). Хусам Альшариф, главный исследователь, руководивший исследованием.
Свободная вода описывает молекулы воды, которые не имеют прочных связей с другими молекулами. Это состояние позволяет свободной воде взаимодействовать с большим количеством молекул, чем в противном случае, вызывая нежелательные реакции, которые потребляют энергию и ставят под угрозу анод.
Было обнаружено, что сульфат стабилизирует связи свободной воды, действуя как то, что команда КАУСТ описывает как "водный клей", изменяя динамику молекул воды, что уменьшает количество паразитных реакций.
В то время как основная часть экспериментов исследователей KAUST была проведена на батареях с использованием сульфата цинка, ранние исследования показали, что сульфат оказывает такое же действие на аноды из других металлов, что позволяет предположить, что включение сульфатных солей в конструкцию батареи может стать универсальным решением для продления срока службы всех водных батарей.
"Сульфатные соли дешевы, широко доступны и химически стабильны, что делает наше решение научно и экономически жизнеспособным", - сказал научный сотрудник KAUST Юнпей Чжу, который проводил основную часть экспериментов.
Водные аккумуляторы привлекают значительное внимание во всем мире как устойчивое решение для крупномасштабного хранения энергии, и, по прогнозам, к 2030 году объем рынка превысит 10 миллиардов долларов. В отличие от литиевых батарей, которые часто используются в электромобилях, водные аккумуляторы предлагают более безопасный и устойчивый вариант интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, в электрические сети.
Профессора КАУСТ Омар Мохаммед, Омар Бакр, Сисян Чжан и Мани Сарати также внесли свой вклад в исследование.
Комментарии