Дослідницька група під керівництвом професора ЧЕН Вей з Китайського університету науки і технологій (USTC) представила нову систему хімічних акумуляторів, яка використовує газоподібний водень як анод. Дослідження було опубліковано вМіжнародне видання Angewandte Chemie.
Водень (H2) привернув увагу як стабільний та економічно ефективний відновлюваний енергоносій завдяки своїм сприятливим електрохімічним властивостям. Однак традиційні водневі батареї переважно використовують H2як катод, що обмежує їх діапазон напруги до 0,8–1,4 В та обмежує їх загальну ємність накопичення енергії. Щоб подолати це обмеження, дослідницька група запропонувала новий підхід: використання H2як анод для значного підвищення щільності енергії та робочої напруги. У поєднанні з металевим літієм як анодом, акумулятор продемонстрував виняткові електрохімічні характеристики.
Схема літій-гідридного акумулятора. (Зображення USTC)
Дослідники розробили прототип літій-гідридної акумуляторної системи, що включає літій-металевий анод, шар газодифузії з платиновим покриттям, що служить водневим катодом, та твердий електроліт (Li1.3Al0,3Ti1.7(ПО4)3, або LATP). Така конфігурація дозволяє ефективно транспортувати іони літію, мінімізуючи небажані хімічні взаємодії. Під час випробувань літій-гідридний акумулятор продемонстрував теоретичну щільність енергії 2825 Вт·год/кг, підтримуючи стабільну напругу близько 3 В. Крім того, він досяг вражаючої корисної дії (RTE) 99,7%, що свідчить про мінімальні втрати енергії під час циклів заряджання та розряджання, зберігаючи при цьому довготривалу стабільність.
Для подальшого підвищення економічної ефективності, безпеки та простоти виробництва команда розробила безанодний літій-гідридний акумулятор, який усуває необхідність попередньо встановленого літієво-металевого елемента. Натомість акумулятор накопичує літій із солей літію (LiH2PO4і LiOH) в електроліті під час заряджання. Ця версія зберігає переваги стандартного літій-гідридного акумулятора, водночас надаючи додаткові переваги. Вона забезпечує ефективне покриття та зачистку літію з кулонівським коефіцієнтом корисної дії (ККД) 98,5%. Крім того, вона стабільно працює навіть при низьких концентраціях водню, зменшуючи залежність від зберігання H₂ під високим тиском. Було проведено обчислювальне моделювання, таке як моделювання за допомогою теорії функціоналу густини (DFT), щоб зрозуміти, як іони літію та водню рухаються в електроліті акумулятора.
Цей прорив у технології літій-водневих акумуляторів відкриває нові можливості для передових рішень для зберігання енергії, з потенційним застосуванням, що охоплює мережі відновлюваної енергії, електромобілі та навіть аерокосмічні технології. Порівняно зі звичайними нікель-водневими акумуляторами, система літій-водневих акумуляторів забезпечує підвищену щільність енергії та ефективність, що робить її сильним кандидатом на використання в якості накопичувачів енергії наступного покоління. Безанодна версія закладає основу для більш економічно ефективних та масштабованих водневих акумуляторів.
Посилання на папір:https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(Написав ЧЖЕН Цзихонг, редагував ВУ Юян)
Час публікації: 12 березня 2025 р.