Ученые нашли способ вывести цинк-бромные проточные батареи на новый уровень. Улавливая коррозионно-активный бром с помощью простого молекулярного поглотителя, они смогли устранить основное препятствие для повышения производительности и срока службы проточных батарей.
Добавив в электролит поглотитель сульфамата натрия (SANa), исследователи смогли улавливать бром (Br₂), образующийся в процессе работы батареи, превращая его в бромированный амин. Это простое изменение принесло двойную выгоду: оно продлило срок службы батареи за счет снижения коррозионной активности Br₂ и сделало батареи гораздо безопаснее как для окружающей среды, так и для людей, занимающихся их обслуживанием.
После сравнения с традиционными проточными батареями на основе брома исследователи обнаружили, что, в то время как обычные системы демонстрировали резкое снижение производительности уже после 30 циклов из-за коррозии, новые конструкции проточных батарей работали более 700 циклов — почти 1400 часов — без существенной потери производительности.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.
Бром одновременно является и благом, и злом.
Проточные батареи — это перезаряжаемые системы, которые накапливают энергию в жидких электролитах, находящихся во внешних резервуарах, что делает их уникально масштабируемыми и безопасными для применения в возобновляемой энергетике.
Варианты цинк-бромных проточных батарей особенно набирают популярность благодаря высокой плотности энергии и недорогим материалам, что делает их потенциальной альтернативой традиционным перезаряжаемым батареям. Эти батареи накапливают и отдают электроэнергию, перекачивая жидкие растворы из внешних резервуаров через центральный реакционный блок.
В процессе зарядки ионы цинка осаждаются на отрицательном электроде в виде твердого металла, в то время как ионы бромида окисляются до брома на положительном электроде. Эти реакции обращают вспять процесс растворения цинка в жидкости, и бром снова превращается в бромид, высвобождая накопленную электрическую энергию.
Однако современные проточные батареи на основе брома имеют короткий срок службы. Бром, выделяющийся во время зарядки, разъедает ключевые детали, такие как электроды, трубки и даже резервуары для хранения. Кроме того, бром очень летуч и токсичен, поэтому даже небольшие утечки могут загрязнять воздух, раздражать чувствительные ткани и влиять на нервную систему.
После нескольких попыток найти идеальное решение проблемы исследователи обнаружили, что сульфамат натрия, или SANa, действует как химическая ловушка и изменяет поведение брома внутри батареи.
SANa инициировал реакцию диспропорционирования — окислительно-восстановительный процесс, в котором одно вещество одновременно окисляется и восстанавливается, — расщепляя газообразный бром и связываясь с ним с образованием слабого продукта, N-бромсульфамата натрия. Эта реакция снизила концентрацию свободно плавающего брома до приемлемого уровня ~7 миллимолей на литр (мМ).
Действие поглотителя, связывающегося с бромом, привело к благоприятной реакции: явлению двухэлектронного переноса, что позволило батарее накапливать значительно больше энергии. Проточная батарея с добавлением SANa достигла плотности энергии 152 Вт·ч/л по сравнению с 90 Вт·ч/л у обычных версий.
Чтобы проверить пределы возможностей батареи, команда разработала блок мощностью 5 кВт, состоящий из 30 отдельных батарейных ячеек, соединенных последовательно. Они обнаружили, что новая проточная батарея выдержала более 700 стабильных циклов. Модернизированная проточная батарея обеспечила более 700 стабильных циклов при значительно меньших затратах, поскольку ей больше не требовались дорогостоящие коррозионностойкие мембраны, насосы или резервуары для хранения.
Исследователи надеются, что результаты этого исследования позволят разработать щадящие, долговечные и высокоэнергетические батареи на основе брома для применения в электросетях.
