5 Minutės
Fonas: kas yra hidrido jonų baterija?
Kinijos mokslo akademijos Daliano cheminės fizikos institute (DICP) dirbantys tyrėjai pristatė pirmąją įkraunamą hidrido jonų (H⁻) bateriją, veikiančią kambario temperatūroje. Hidrido jonai yra vandenilio atomai, turintys papildomą elektroną; dėl jų ypač mažos masės ir specifinių redoks savybių H⁻ kelia susidomėjimą kaip alternatyvus krūvio nešiklis kitų kartų elektrocheminėse sistemose. Istoriškai pažangą ribojo tinkamų elektrolitų stoka — tokių, kurie suderintų greitą hidrido judrumą, terminį bei elektrocheminį stabilumą ir gerą suderinamumą su elektrodomis.
Eksperimentas ir medžiagos: naujas branduolio–erdvės (core–shell) hidrido elektrolitas
Tyrėjai sukūrė pirmąją visiškai kietojo kūno hidrido jonų bateriją, veikiančią kambario temperatūroje. Credit: DICP
DICP grupė problemą su elektrolitu sprendė įkvėpta heterojuosčių (heterojunction) koncepcijos — sukomponavo branduolio–erdvės tipo kompozitą, pažymėtą 3CeH3@BaH2. Šioje konstrukcijoje plona bario hidrido (BaH2) sluoksnio „ąselė“ supa cerio hidrido (CeH3) branduolį. CeH3 suteikia aukštą vidinį hidrido jonų laidumą, tuo tarpu BaH2 išorinė danga prisideda prie struktūrinio vientisumo ir elektrocheminio stabilumo. Tokia kombinacija leidžia greitai perduoti H⁻ kambario temperatūroje ir tuo pačiu atsispirti įprastinėms baterijų eksploatacijos sąlygoms būdingai degradacijai.
Baterijos surinkimas ir veikimo rodikliai
Naudodami šį elektrolitą, mokslininkai surinko visiškai kietojo kūno prototipą, kurio ląstelės konfigūracija buvo CeH2 | 3CeH3@BaH2 | NaAlH4. Katodo aktyvioji medžiaga buvo natrio alanatė (NaAlH4), gerai žinoma vandenilio laikymo junginys. Kambario temperatūroje teigiama elektrodo pradinė išleidimo talpa siekė 984 mAh g⁻1, o po 20 ciklų ji išliko 402 mAh g⁻1. Storu (stacked) variantu prototipas demonstravo veikimo įtampą apie 1,9 V ir sugebėjo įjungti geltoną LED lemputę — paprastas, bet efektyvus praktinis apkrovos bandymas.
Pagrindiniai atradimai, saugumas ir reikšmė
Branduolio–erdvės elektrolitas įveikė tris esminius iššūkius: greitą hidrido transportą kambario temperatūroje, terminį atsparumą ir suderinamumą su elektrodomis. Naudojant vandenilio pagrindu veikiančius krūvio nešiklius, sistema taip pat sumažina metalinių dendritų susidarymo riziką — dendritai dažnai yra trumpėjimo ir saugumo problemų priežastis kai kuriose metalinių anodų baterijose — todėl toks sprendimas gali pagerinti eksploatacinį saugumą ir patikimumą.
Prof. Ping Chen ir jo kolegos DICP nurodo, kad hidrido medžiagų cheminis suderinamumas yra reguliuojamas ir atveria naujas galimybes optimizuoti talpą, greitaveiką ir ciklinį stabilumą. Nors tai yra ankstyvas laboratorinis įrodymas, o ne rinkai paruoštas produktas, tyrimas žymi reikšmingą medžiagų inžinerijos ir dizaino pažangą link švaresnių bei efektyvesnių energijos kaupimo sistemų, kurios išnaudoja hidrido jonų chemiją.
Ateities perspektyvos
Tolimesnės kryptys apima ciklinio tarnavimo gerinimą, kompozitinio elektrolito sintezės mastelio didinimą ir pilnaverčių ląstelių architektūrų integravimą, optimizuotą energijos tankiui, galiai ir gaminamumui. Jei bus įveikti šie techniniai barjerai, hidrido jonų baterijos galėtų papildyti esamas įkraunamas chemijas tinklo saugojimui, nešiojamiesiems įrenginiams arba nišinėms taikomosioms sritims, kur mažas masės santykis ir vandenilio pagrindu veikianti elektrochemija suteikia unikalias privalumus.
Be to, verta paminėti keletą specifinių iššūkių, kuriems reikės sprendimų: stabilumo ilgalaikėje eksploatacijoje, sąnaudų sumažinimo didinant gamybos mastą, suderinamumo su esamomis baterijų surinkimo technologijomis užtikrinimas ir saugos protokolų sukūrimas darbui su vandenilio turinčiomis medžiagomis. Kiekvienas iš šių aspektų reikalauja tiek fundamentinių medžiagų tyrimų, tiek praktinių inžinerinių sprendimų — pavyzdžiui, dengtų sluoksnių, kurie apsaugotų jautrias fazes, arba pažangių kompozitų, galinčių išlaikyti aukštą laidumą kartu su mechaniniu tvirtumu.
Taip pat verta palyginti hidrido jonų koncepciją su gerai žinomomis ličio jonų ir natrio jonų baterijomis. Pagrindiniai skirtumai apima krūvio nešiklio masę, galimą greitaveiką dėl mažos H⁻ masės, ir skirtingus cheminius iššūkius, susijusius su elektrolitų bei elektrodų stabilumu. Hidrido sistema teoriškai gali pasiūlyti geresnį masės santykį (energetinė galia vienai masei), tačiau praktiniai sprendimai turi užtikrinti pakankamą energijos tankį tūrio atžvilgiu, ilgaamžiškumą ir veikimo saugumą realiomis sąlygomis.
Gamybos požiūriu, naujo tipo elektrolitų gamyba turės atitikti griežtus kokybės standartus — vienodas dalelių dispersija, tikslus branduolio–erdvės sluoksnių formavimas ir minimalus deguonies bei drėgmės pėdsakų kiekis. Tokie reikalavimai gali paskatinti naujas gamybos technologijas, pavyzdžiui, sintezės procesų automatizavimą, vakuuminio apdirbimo etapus arba specialius dangų depozicijos būdus, kurie sumažintų medžiagų degradaciją montavimo metu.
Galiausiai, energetikos sistemos integracijos lygmenyje hidrido jonų baterijos potencialiai galėtų pridėti vertės derinant jas su atsinaujinančiais šaltiniais: dėl greito įkrovimo ir mažo svorio jos galėtų būti naudingos mobiliosioms saulės arba vėjo energijos kaupimo sistemoms, taip pat specializuotoms transporto ar aviacijos taikomosioms sritims, kur masė yra kritinis parametras.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą