Ученые разработали безопасную и экономичную аккумуляторную батарею на водной основе, которая устраняет ограничения литий-ионных батарей, используемых в настоящее время в системах хранения энергии (ESS). Их инновация заключается в композитном катализаторе, состоящем из диоксида марганца и палладия, который преобразует опасный водород в воду, сохраняя при этом безопасность и производительность. Этот прорыв открывает двери для коммерциализации этих батарей в ESS и других отраслях, обеспечивая более экономичную и безопасную альтернативу существующим технологиям.

Этим летом на Земле наблюдаются экстремальные погодные условия, в том числе сильная жара и проливные дожди. В эти трудные времена использование возобновляемых источников энергии и укрепление соответствующей инфраструктуры в качестве стратегии защиты планеты становится более актуальным, чем когда-либо. Однако этот подход сталкивается с серьезными проблемами из-за непредсказуемости производства возобновляемой энергии, поскольку он опирается на неопределенные переменные, такие как нестабильные погодные условия.

Поэтому существует растущий спрос на системы хранения энергии (ESS), которые могут хранить и поставлять энергию при необходимости. Однако литий-ионные батареи (LIB), используемые в настоящее время в ESS, не только дороги, но и подвержены пожароопасности, поэтому существует острая необходимость в разработке более дешевых и безопасных альтернатив.

Инновационная технология безопасно преобразует газообразный водород в воду, повышая безопасность аккумулятора. Это достижение открывает путь к коммерциализации более экономичных и безопасных аккумуляторных батарей на водной основе.

Причина, по которой газообразный водород образуется в водоперезаряжаемых батареях и накапливается внутри батареи. Источник: Корейский передовой институт науки и технологий.

Ход исследований аккумуляторных батарей на водной основе

Исследовательская группа под руководством доктора О Си Хёна из Научно-исследовательского центра хранения энергии Корейского института науки и технологий (KIST) разработала высокобезопасную перезаряжаемую батарею на водной основе, которая может стать своевременной альтернативой, отвечающей требованиям стоимости и безопасности.

Несмотря на более низкую достижимую плотность энергии, водные аккумуляторные батареи предлагают значительные экономические преимущества, поскольку затраты на их сырье намного ниже, чем у ЛИА. Однако водород, образующийся в результате разложения паразитной воды, приведет к постепенному увеличению внутреннего давления и, в конечном итоге, к истощению электролита, что представляет собой огромную угрозу безопасности батареи и затрудняет ее коммерциализацию.

Предлагаемая стратегия обеспечения безопасности водных аккумуляторных батарей за счет методов регенерации воды. Источник: Корейский передовой институт науки и технологий.

Преодоление проблем безопасности в аккумуляторных технологиях

До сих пор исследователи часто пытались обойти эту проблему, устанавливая защитные слои, чтобы минимизировать площадь контакта между металлическим анодом и электролитом. Однако в большинстве случаев коррозия металлического анода и сопутствующее разложение воды в электролите неизбежны, а постоянное накопление водорода может вызвать потенциальные взрывы при длительной эксплуатации.

Роль композиционных катализаторов в активации химических реакций регенерации воды. Источник: Корейский передовой институт науки и технологий.

Чтобы решить эту важную проблему, исследовательская группа разработала композитный катализатор, состоящий из диоксида марганца и палладия, который может автоматически преобразовывать водород, образующийся внутри батареи, в воду, тем самым обеспечивая производительность и безопасность батареи.

В обычных условиях диоксид марганца не реагирует с водородом, но после добавления небольшого количества палладия водород легко поглощается катализатором и регенерируется в воду. В ячейках-прототипах, загруженных недавно разработанным катализатором, внутреннее давление ячеек поддерживалось значительно ниже пределов безопасности, и истощения электролита не наблюдалось.

Влияние на будущее хранение энергии

Этот результат исследования эффективно решает одну из наиболее тревожных проблем безопасности водяных батарей и делает большой шаг к коммерческому применению ESS в будущем. Замена литиевых батарей более дешевыми и безопасными водяными батареями даже вызовет быстрый рост мирового рынка ESS.

Доктор О Си Хён из Корейского передового института науки и технологий сказал: «Эта технология основана на встроенном механизме активной безопасности, который адаптирует стратегии безопасности для аккумуляторных батарей на водной основе, с помощью которых автоматически контролируются факторы риска. Кроме того, ее можно применять на различных промышленных объектах, где утечка водорода является одной из основных проблем безопасности (например, водородные станции, атомные электростанции и т. д.), для защиты общественной безопасности».

Источник составления: ScitechDaily.