Учёные создали батарею нового типа для одновременного хранения энергии и водорода
Китайские исследователи из Даляньского института химической физики (DICP) разработали прототип первого в своем роде твердотельного аккумулятора на гидрид-ионах, который одновременно хранит и электричество, и водород. Устройство работает при комнатной температуре и обычном давлении, что делает его значительным прорывом в области чистой энергетики. Наиболее примечательно, что эта система совместного хранения достигает выдающейся эффективности преобразования водородной энергии в 93,9 процента, открывая путь к более эффективной и интегрированной энергосети.
Разработка отходит от использования лития. Этот аккумулятор работает на гидрид-ионах — атомах водорода с одним дополнительным электроном. Хотя они обладают высокой энергетической емкостью, такие ионы нестабильны. Сообщается, что команда DICP работала над этой концепцией с 2018 года и наконец решила ключевую проблему в 2023 году, создав материал, позволяющий ионам двигаться стабильно. Теперь ученые воплотили эту химическую схему в работающую полностью твердотельную батарею, используя металлический магний и газообразный водород в качестве электродов.
В основе инновации лежит обратимая химическая реакция, которая позволяет прототипу батареи служить одновременно источником питания и топливным баком. Используя магний и водород в качестве двух электродов, система действует как химическая губка. В процессе разряда газообразный водород преобразуется в высокоэнергетические гидрид-ионы, которые связываются с магнием, образуя стабильный твердый гидрид металла. Когда батарею подключают к сети для зарядки, этот процесс полностью обращается, высвобождая газообразный водород обратно в атмосферу. Интересно, что устройство одновременно накапливает электричество и водород без необходимости использования опасных резервуаров высокого давления, поскольку во время обычной работы оно переводит летучий газ в твердое состояние.
В ходе лабораторных испытаний прототип продемонстрировал устойчивость и плотность мощности, работая без сбоев в широком диапазоне температур от -20 до 90 градусов по Цельсию. Сообщается, что он достиг огромной начальной разрядной емкости в 1526 миллиампер-часов на грамм. Кроме того, он продемонстрировал долговечность, сохранив более 70 процентов этой емкости после 60 циклов зарядки-разрядки. Для проверки практической жизнеспособности исследователи собрали 10 таких отдельных элементов в более крупную батарею, которая успешно выдала более 2,4 вольта и зажгла светодиодную лампу.
Обычное хранение водорода требует энергоемкой инфраструктуры, такой как резервуары высокого давления или глубокое криогенное охлаждение. Эта новая батарея работает безопасно при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Система также полностью устраняет риски, связанные с летучестью газа, химически запирая водород в твердом гидриде металла как во время зарядки, так и во время разрядки. В целом, это устраняет необходимость в дорогостоящем специализированном оборудовании для удержания газа, предлагая более простой и экономически эффективный путь к хранению чистой энергии. Команда отметила, что по сравнению с другими технологиями хранения водорода эта система совместного хранения обеспечивает высокую эффективность водородной энергии и может найти широкое применение в мобильных или стационарных сценариях использования водорода.
В ближайшее время исследовательская группа сосредоточится на доработке технологии для подготовки ее к коммерческому и промышленному использованию. Они планируют продолжить работу по улучшению общих характеристик батареи, повышению ее долговременной надежности и созданию более совершенных материалов для оптимизации хранения энергии.
Исследование в журнале Joule.