Исследовательская группа под руководством профессора Чэнь Вэя из Китайского университета науки и технологий (USTC) представила новую систему химических аккумуляторов, в которой в качестве анода используется водород. Исследование опубликовано в журналеAngewandte Chemie, международное издание.
Водород (H2) привлёк внимание как стабильный и экономичный возобновляемый источник энергии благодаря своим благоприятным электрохимическим свойствам. Однако традиционные водородные батареи в основном используют H2в качестве катода, что ограничивает диапазон их напряжения 0,8–1,4 В и снижает их общую ёмкость. Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа предложила новый подход: использование H2В качестве анода он значительно увеличил плотность энергии и рабочее напряжение. В сочетании с металлическим литием в качестве анода аккумулятор продемонстрировал исключительные электрохимические характеристики.
Схема литий-гидридного аккумулятора. (Изображение предоставлено USTC)
Исследователи разработали прототип системы Li-H-аккумулятора, включающей анод из металлического лития, газодиффузионный слой с платиновым покрытием, служащий водородным катодом, и твердый электролит (Li1.3Al0,3Ti1.7(ПО4)3, или LATP). Такая конфигурация обеспечивает эффективную транспортировку литий-ионов, минимизируя нежелательные химические взаимодействия. В ходе испытаний литий-гидридный аккумулятор продемонстрировал теоретическую плотность энергии 2825 Вт·ч/кг, поддерживая постоянное напряжение около 3 В. Кроме того, он достиг выдающегося КПД за цикл (RTE) 99,7%, что указывает на минимальные потери энергии во время циклов зарядки и разрядки при сохранении долговременной стабильности.
Для дальнейшего повышения экономической эффективности, безопасности и простоты производства команда разработала безанодный литий-гидридный аккумулятор, который устраняет необходимость в предустановленном металлическом литии. Вместо этого аккумулятор использует литий из литиевых солей (LiH2PO4и LiOH) в электролите во время зарядки. Эта версия сохраняет преимущества стандартного литий-гидридного аккумулятора, а также обладает дополнительными преимуществами. Она обеспечивает эффективное гальваническое покрытие и снятие лития с кулоновской эффективностью (CE) 98,5%. Более того, она стабильно работает даже при низких концентрациях водорода, снижая потребность в хранении H₂ под высоким давлением. Для понимания того, как ионы лития и водорода перемещаются в электролите аккумулятора, было проведено компьютерное моделирование, например, с использованием теории функционала плотности (DFT).
Этот прорыв в технологии литий-гидридных аккумуляторов открывает новые возможности для создания передовых решений по хранению энергии, которые могут найти применение в сетях возобновляемой энергии, электромобилях и даже в аэрокосмической технике. По сравнению с традиционными никель-водородными аккумуляторами, система Li-H обеспечивает повышенную плотность энергии и эффективность, что делает её перспективным кандидатом для систем хранения энергии следующего поколения. Безанодная версия закладывает основу для более экономичных и масштабируемых водородных аккумуляторов.
Ссылка на статью:https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(Написано ЧЖЭН Цзыхуном, под редакцией У Юйяна)
Время публикации: 12 марта 2025 г.