Високоволтови, натриево-цинкови хибридни батерии

Супер стабилни, високоволтови, хибридни батерии

Високоволтовите батерии, днес са едни от най-търсените видове батерии за съхраняване на енергията.

      Изследователите са разработили нов хидрогел електролит, който, комбиниран с пруски син катод, подобрява натриево-цинковите хибридни йонни батерии.

      Дизайнът, разработен от екип в Китайския петролен университет (Източен Китай), осигурява забележителна енергийна плътност и разширена циклична стабилност.

      Хибридната батерия има 220 Wh/kg енергийна плътност. Работи изключително добре с висока скорост на производителност, до 5°C и издържа повече от 6000 цикъла без влошаване.

      Пробивът, според учените, е голям напредък в технологията на водните батерии. С това решение се предлага практично решение за съхранение на енергия с подобрена производителност и дълъг живот.

Усъвършенствани електролитни иновации

      Тъй като литиево-йонните батерии са индустриален стандарт за електрически превозни средства и лична електроника, вторичните батерии са от съществено значение за системите за възобновяема енергия. Въпреки това, техните ограничени доставки на литий и запалими органични електролити представляват риск за безопасността. Ето защо водните батерии стават все по-популярни като алтернативи.

      Водните Na-ion и Zn-ion батерии се отличават със своята безопасност, екологичност и рентабилност поради изобилието от материали и електролити на водна основа.

      Високият капацитет на цинка, подходящият редокс потенциал* и водната стабилност го правят обещаващ аноден материал. Но проблеми като растежа на дендритите ограничават неговата ефективност. Производителността се подобрява от тактики, като повърхностната модификация и електролити с висока концентрация, но се създават и недостатъци като лоша проводимост.

Структурна мрежа на Zn–SA–PSN хидрогел електролит, показващ ковалентни, йонни
и водородни връзки, позволяващи висока йонна проводимост и хомогенно отлагане на цинк

         С пруски сини катоди и цинкови аноди, водните Na-Zn хибридни йонни батерии (ASZIB) могат да постигнат по-високи напрежения (2,0 V). Въпреки това техният ограничен електрохимичен прозорец ограничава капацитета им.

      Според изследователите хидрогелните електролити с ниско съдържание на свободна вода подобряват стабилността на напрежението, предотвратяват дендритите и подобряват живота на цикъла. Разработването на хидрогелни електролити с висока проводимост с разширени диапазони за напрежение е от съществено значение за напредването на ASZIB.

      Забележителната производителност на наскоро създадения Zn–SA–PSN хидрогел електролит се дължи на неговата отличителна полимерна мрежа, състояща се от свързани амидни вериги и хидрофилни функционални групи.

      Този усъвършенстван дизайн предлага разширен прозорец на електрохимична стабилност от 2,5 V и забележителна йонна проводимост от 43 mS·cm⁻¹. С това качество серозно надминава конвенционалните електролити.

Устойчива енергийна иновация

      Натриево-цинковата хибридна батерия показва изключителна производителност, когато се комбинира с пруски син катод. Така тя постига над 6000 цикъла при висока плътност на тока от 25°C и с малко намаляване на капацитета от само 0,0096 % на цикъл.

      Според изследователите стабилността се обяснява с капацитета на хидрогелния електролит да предотвратява развитието на дендрити и да намалява нежеланите реакции. Това са два проблема, които често възникват при цинковите аноди.

      Освен това, с капацитет до 5°C, батерията показва изключителна производителност и забележителна енергийна плътност от около 220 Wh·kg⁻¹. Поради своята адаптивност, електролитът Zn–SA–PSN може да се използва с различни катодни материали. Той е подходящ както за цинково-йонни, така и за водни натриево-цинкови хибридни батерии.

      „Нашият хидрогел електролит представлява значителен напредък в областта на водните батерии. Неговата способност да поддържа висока производителност в продължение на хиляди цикли и то при висока плътност на тока е доказателство за потенциала му. Това се отнася и за практическите приложения при съхранението на енергия,” – споделя в свое изявление Linjie Zhi, водещ изследовател на проекта.

      Освен това, хидрогелният електролит Zn–SA–PSN подобрява акумулаторните системи за мрежово съхранение, електрически превозни средства и други приложения. Осигурява им висока енергийна плътност и дългосрочна стабилност.

      Изследователите посочват, че хибридните йонни батерии имат способността да задоволят нарастващата нужда от ефективни, устойчиви енергийни решения. Дизайни като този хидрогел електролит са от съществено значение за напредъка на устойчиви енергийни решения за по-зелено бъдеще. Това е така поради високото търсене на надеждни и екологично чисти системи.

Автори: списание Energy Materials and Devices.

*Редокс потенциал (известен и като окислителен/редукционен потенциал, ORP,) е мярка за склонността на даден химически вид да придобива електрони от или да губи електрони към електрод и по този начин съответно да се редуцира или окислява. Редокс потенциалът се изразява във волтове (V). Всеки вид има свой собствен редокс потенциал. Например, колкото по-положителен е редукционният потенциал, толкова по-голям е афинитетът на вида към електроните и тенденцията към редуциране.