Поточные аккумуляторы достигли показателей литий-ионных по плотности хранения энергии

Разработчики из Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), более чем в 2 раза увеличили плотность хранения энергии новых поточных аккумуляторов, по сравнению с разработанными ранее. Новый аккумулятор от PNNL обещает стать массовым в автономных источниках электроснабжения, а также в электропоездах и электромобилях, в городских системах сетевого хранения электроэнергии, особенно в стесненных условиях.

В аккумуляторах используется цинк-йодидный электролит. Показатель плотности хранения энергии приблизился к литий-ионным аккумуляторам, но при этом поточные аккумуляторы имеют лучшую противопожарную безопасность.

История становления

Литий-ионные и поточные аккумуляторы были изобретены в 1970-х годах, но из-за большей плотности и простоты конструкции литий-ионные аккумуляторы стали более популярны. Сначала литий-ионные аккумуляторы начали использоваться в портативной технике. Позже их использовали для хранения растущих объемов возобновляемых источников энергии, вырабатываемой на ветряных и солнечных энергетических установках.

Цинк-поли-йодидный аккумулятор

Как и в других поточных аккумуляторах, энергия хранится в двух внешних резервуарах, что позволяет легко увеличить емкость батареи (Изображение: PNNL)

Но высокие плотности хранения энергии литий-ионных аккумуляторов делают их склонными к перегреву и возгоранию. Поточные батареи напротив, хранят свои активные химические вещества отдельно, что значительно улучшает безопасность. Эта особенность вновь привлекла внимание исследователей к поточным аккумуляторам.

Конструкция

Как и другие поточные аккумуляторы, цинк-йодидные вырабатывает энергию закачивая жидкости из внешних резервуаров в реакторную ячейку, где жидкости смешиваются. Внешние емкости у нового аккумулятора PNNL содержат водные электролиты, водные растворы с растворенными химическими веществами,  хранящих химическую энергию.

Когда батарея полностью разряжена, обе емкости содержат один и тот же раствор электролита: смесь из положительно заряженных ионов цинка, Zn 2+ , и отрицательно заряженных ионов йодида, I — . Но когда когда аккумулятор заряжен, одна из ёмкостей содержит отрицательный ион, поли-йодид, I 3-. Когда необходимо получить электроэнергию, две жидкости закачивают в центральную ячейку. Внутри ячейки ионы цинка проходят через мембрану и превращаются в металлический цинк на отрицательной стороне ячейки. Этот процесс преобразует энергию, которая химически хранится в электролите в электроэнергию.

Для проверки возможности их новой концепции, исследователи из PNNL создали аккумулятор на лабораторном столе. Они смешивают растворы электролитов, черный цинк-поли-йодидный электролит и прозрачный цинк-йодид, подавая их из двух стеклянных флаконов, как из миниатюрных баков. Шланги соединяли между собой флаконы, насос и небольшую ячейку.

Они положили 12-Вт-ч емкость аккумулятора — сопоставимый около двух iPhone батареи — через ряд испытаний, в том числе определения того, как различные концентрации цинка и йодистого в хранилище энергии электролита влияет. Электрическая мощность измеряется в киловатт-часов; электромобили пользуются около 350 ватт-часов, чтобы проехать одну милю в городе.

Новые возможности 

Демонстрационная версия аккумулятора сохранила гораздо больше энергии для своего объема, чем наиболее часто используемые сегодня поточные аккумуляторы: цинк-метиловый и ванадиевые батареи. Цинк-поли-йодидные аккумуляторы PNNL также имели выход энергии около 70%, от показателей литий-ионных и литий-фосфат-железных аккумуляторов.

Лабораторные тесты показали, демонстрационная батарея сохраняет 167 ватт-часов на литр электролита. Для сравнения, поточные цинк-бромидные аккумуляторы  генерируют около 70 ватт-часов на литр, ванадиевые аккумуляторы могут создать 15 — 25 ватт-часов на литр, а стандартные литий-фосфат-железные аккумуляторы около 233 ватт-часов на литр. Теоретически,  исследователи считают, что их новый аккумулятор может хранить даже до 322 ватт-часов на литр,  если растворить ещё  больше химических веществ в электролите.

Безопасный и универсальный, но еще не идеальный

Цинк-поли-йодидный аккумулятор PNNL является безопасным, т.к. его электролит не кислота, как у большинство других поточных аккумуляторов. Почти невероятно воспламенение электролита на водной основе, он не требует дорогих материалов, выдерживающих сильное коррозионное воздействие, как в других поточных аккумуляторах.

Еще одним преимуществом аккумуляторов PNNL в том, что они могут работать в экстремальных климатических условиях. Электролит позволяет хорошо работать при температурах от -20 ºС до 50 ºС. Многие батареи имеют гораздо меньшее температурное окно и могут требовать встроенных систем подогрева и охлаждения.

Одна из проблем, с которыми столкнулись исследователи, это нарастание металлического цинка на отрицательном электроде ячейки, делая аккумуляторы менее эффективным. Исследователи уменьшают нарастания, называемые дендритами цинка, путем добавления спирта к раствору электролита.

Управление процессом образования дендритов цинка будет ключевым для широкого внедрения цинк-поли-йодидных аккумуляторов PNNL в реальном мире.

Источник: nature.com

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Новый электролит для магниево-серных батарей
fraungofer ikts home fuel cell
В Германии созданы топливные элементы для энергоснабжения частных домов
solar battery tungsten dieselenide
Ультратонкие, прозрачные, гибкие солнечные батареи из диселенида вольфрама
Nanophononic_Metamaterial
Термоэлектрические материалы можно радикально улучшить с помощью наностержней
Созданы солнечные батареи, превращающие инфракрасное излучение в электричество

Template design by Joule Watt © 2015 Домашняя энергетика