Проектирования стабильных и высокоэнергетических водных батарей на основе диоксида цинка и марганца
Для наиболее эффективной работы перезаряжаемые батареи должны иметь высокую плотность энергии, но в то же время они должны быть безопасными, стабильными и экологически чистыми.
Цинк-марганцевые батареи
Хотя литий-ионные аккумуляторы (LIB) в настоящее время являются одними из наиболее распространенных перезаряжаемых систем хранения энергии, они содержат органические электролиты, которые обладают высокой летучестью, что значительно снижает их безопасность. Поэтому в последние годы исследователи пытаются определить новые составы батарей, которые не содержат горючих и нестабильных электролитов.
Подписывайтесь на наш youtube канал!
Одной из наиболее перспективных альтернатив LIB являются батареи на основе невоспламеняющихся и недорогих электролитов на водной основе, таких как свинцово-кислотные и цинк-марганцевые батареи. Эти батареи имеют многочисленные преимущества, в том числе большую безопасность и низкую стоимость производства. Однако до сих пор их производительность, рабочее напряжение и перезаряжаемость были несколько ограничены по сравнению с литиевыми батареями.
Исследователи из Ключевой лаборатории усовершенствованной керамики и технологии обработки, Тяньцзиньской лаборатории композитных и функциональных материалов и Тяньцзиньского университета в Китае недавно ввели новую стратегию проектирования, которая могла бы повысить производительность батарей на основе диоксида цинка и марганца (Zn-MnO2). Разработанный ими подход, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, предусматривает отделение электролитов внутри батареи для обеспечения оптимальной окислительно-восстановительной химии как в Zn, так и в MnO2 электродах.
«Наша работа возникла непреднамеренно, когда мы собрали щелочную Zn-MnO2 батарею со свежим электролитом MnO2, у которого на поверхности MnO2 осталось некоторое количество H2SO4 (из ванны для электроосаждения)», – рассказал профессор Чэн Чжун (Cheng Zhong), один из исследователей, проводивших это исследование. «Собранная батарея показала более высокое напряжение разряда по сравнению с обычными Zn-MnO2 батареями, что подтолкнуло нас к тому, чтобы разобраться в сути, заложив основу для нашего исследования».
Проектирования стабильных и высокоэнергетических водных батарей на основе диоксида цинка и марганца
Профессор Чжун и его коллеги обнаружили, что их стратегия по развязыванию электролитов привела к более эффективной работе Zn-MnO2 батарей с напряжением в открытом контуре 2,83 В. Это весьма многообещающий результат, учитывая, что более традиционные Zn-MnO2 батареи обычно имеют напряжение 1,5 В.
Емкость батареи, изготовленной с использованием стратегии развязки по электролитам, получившей название DZBM, ухудшилась всего на 2% после того, как она непрерывно использовалась и перезаряжалась в течение 200 часов. Кроме того, батарея сохранила 100% своей емкости при различной плотности разрядного тока. Примечательно, что исследователи продемонстрировали, что батареи, созданные по их методу, могут быть также интегрированы с ветряными и фотоэлектрическими гибридными энергетическими системами, что еще больше увеличивает их устойчивость к внешним воздействиям.
«Стратегия развязки по электролитам направлена на одновременное обеспечение оптимальной окислительно-восстановительной химии как Zn, так и MnO2 электродов», – пояснил профессор Чжун. Условия работы катода MnO2 и анода Zn были развязаны, чтобы в одной ячейке могли протекать окислительно-восстановительные реакции MnO2 и щелочного Zn. Получившаяся DZMB батарея имеет гораздо более высокое рабочее напряжение и более длительный срок службы, чем традиционные щелочные Zn-MnO2 батареи».
В будущем новая стратегия проектирования, представленная профессором Чжоном и его коллегами, может быть использована для производства новых Zn-MnO2 батарей, которые являются недорогими и безопасными, но при этом имеют исключительно высокое напряжение в разомкнутом контуре и длительный срок службы в цикле. Примечательно, что такую же стратегию можно было бы использовать и для повышения производительности других водных цинковых батарей, в том числе с составом Zn-Cu и Zn-Ag.
«Так как стоимость и производительность современных ионоселективных мембран все еще неудовлетворительны, наши будущие исследования будут сосредоточены на изучении конструкций развязки без использования мембран», – сказал профессор Чжун.
Для наиболее эффективной работы перезаряжаемые батареи должны иметь высокую плотность энергии, но в то же время они должны быть безопасными, стабильными и экологически чистыми.
Хотя литий-ионные аккумуляторы (LIB) в настоящее время являются одними из наиболее распространенных перезаряжаемых систем хранения энергии, они содержат органические электролиты, которые обладают высокой летучестью, что значительно снижает их безопасность. Поэтому в последние годы исследователи пытаются определить новые составы батарей, которые не содержат горючих и нестабильных электролитов.
Одной из наиболее перспективных альтернатив LIB являются батареи на основе невоспламеняющихся и недорогих электролитов на водной основе, таких как свинцово-кислотные и цинк-марганцевые батареи. Эти батареи имеют многочисленные преимущества, в том числе большую безопасность и низкую стоимость производства. Однако до сих пор их производительность, рабочее напряжение и перезаряжаемость были несколько ограничены по сравнению с литиевыми батареями.
Исследователи из Ключевой лаборатории усовершенствованной керамики и технологии обработки, Тяньцзиньской лаборатории композитных и функциональных материалов и Тяньцзиньского университета в Китае недавно ввели новую стратегию проектирования, которая могла бы повысить производительность батарей на основе диоксида цинка и марганца (Zn-MnO2). Разработанный ими подход, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, предусматривает отделение электролитов внутри батареи для обеспечения оптимальной окислительно-восстановительной химии как в Zn, так и в MnO2 электродах.
«Наша работа возникла непреднамеренно, когда мы собрали щелочную Zn-MnO2 батарею со свежим электролитом MnO2, у которого на поверхности MnO2 осталось некоторое количество H2SO4 (из ванны для электроосаждения)», – рассказал профессор Чэн Чжун (Cheng Zhong), один из исследователей, проводивших это исследование. «Собранная батарея показала более высокое напряжение разряда по сравнению с обычными Zn-MnO2 батареями, что подтолкнуло нас к тому, чтобы разобраться в сути, заложив основу для нашего исследования».
Профессор Чжун и его коллеги обнаружили, что их стратегия по развязыванию электролитов привела к более эффективной работе Zn-MnO2 батарей с напряжением в открытом контуре 2,83 В. Это весьма многообещающий результат, учитывая, что более традиционные Zn-MnO2 батареи обычно имеют напряжение 1,5 В.
Емкость батареи, изготовленной с использованием стратегии развязки по электролитам, получившей название DZBM, ухудшилась всего на 2% после того, как она непрерывно использовалась и перезаряжалась в течение 200 часов. Кроме того, батарея сохранила 100% своей емкости при различной плотности разрядного тока. Примечательно, что исследователи продемонстрировали, что батареи, созданные по их методу, могут быть также интегрированы с ветряными и фотоэлектрическими гибридными энергетическими системами, что еще больше увеличивает их устойчивость к внешним воздействиям.
«Стратегия развязки по электролитам направлена на одновременное обеспечение оптимальной окислительно-восстановительной химии как Zn, так и MnO2 электродов», – пояснил профессор Чжун. Условия работы катода MnO2 и анода Zn были развязаны, чтобы в одной ячейке могли протекать окислительно-восстановительные реакции MnO2 и щелочного Zn. Получившаяся DZMB батарея имеет гораздо более высокое рабочее напряжение и более длительный срок службы, чем традиционные щелочные Zn-MnO2 батареи».
В будущем новая стратегия проектирования, представленная профессором Чжоном и его коллегами, может быть использована для производства новых Zn-MnO2 батарей, которые являются недорогими и безопасными, но при этом имеют исключительно высокое напряжение в разомкнутом контуре и длительный срок службы в цикле. Примечательно, что такую же стратегию можно было бы использовать и для повышения производительности других водных цинковых батарей, в том числе с составом Zn-Cu и Zn-Ag.
«Так как стоимость и производительность современных ионоселективных мембран все еще неудовлетворительны, наши будущие исследования будут сосредоточены на изучении конструкций развязки без использования мембран», – сказал профессор Чжун.
https://econet.ru/articles/proektirovaniya-stabilnyh-i-vysokoenergeticheskih-vodnyh-batarey-na-osnove-dioksida-tsinka-i-margantsa
01.05.2020