На фоне растущего дефицита лития и жестких требований к пожарной безопасности энергетической инфраструктуры индустрия накопителей энергии все пристальнее присматривается к системам на основе водных электролитов. Новый технологический прорыв в этом направлении совершила объединённая команда инженеров из Цзилиньского университета и Чанчуньского института прикладной химии, представляющая ведущий научный кластер северо-восточного Китая в провинции Цзилинь. Согласно результатам их работы, опубликованным в рецензируемом научном журнале Science China Chemistry, исследователям удалось спроектировать архитектуру водного цинк-иодного аккумулятора, способного сохранять 89,34% своей первоначальной емкости после прохождения 10 000 циклов заряда и разряда, что эквивалентно более чем 3500 часам непрерывной эксплуатации.
Для задач крупномасштабного балансирования энергосетей водные цинк-иодные батареи выглядят крайне привлекательно благодаря высокой теоретической емкости, низкой себестоимости металлического цинка и способности работать при высоких токах, пишет издание Kantan.News. Тем не менее коммерциализацию технологии долгое время сдерживал комплекс фундаментальных проблем иодного катода. Низкая собственная электропроводность активного материала и существенное изменение его объема при циклировании усугублялись так называемым «челночным эффектом», при котором растворимые полииодиды мигрируют в водный электролит, вызывая необратимую деградацию ячейки. Чтобы купировать этот механизм потерь, китайские специалисты разработали самонесущие катоды на базе углеродных нанотрубок, поверхность которых была целенаправленно модифицирована гидроксильными, карбоксильными и аминными функциональными группами.
Моделирование методом теории функционала плотности в сочетании с серией лабораторных испытаний показало, что именно гидроксильные группы (-OH) обеспечивают максимальное химическое сродство к соединениям иода по сравнению с карбоксильными (-COOH) и аминными (-NH2) аналогами. Сформированная матрица из углеродных нанотрубок с удельной площадью поверхности порядка 1005 квадратных метров на грамм сработала как надежный молекулярный якорь, физически и химически удерживающий ионы иода внутри своих внутренних каналов. Проведенные непосредственно в ходе работы ячейки исследования методами рамановской спектроскопии in situ и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии убедительно подтвердили полное подавление разрушительного «челночного эффекта» и высокую обратимость протекающих электрохимических реакций.
Полученная электродная структура продемонстрировала впечатляющую кинетику и ресурс при различных режимах нагрузки. При плотности тока 1 А/г начальная обратимая емкость системы достигла 175,5 мА·ч/г. Когда же инженеры многократно ужесточили условия стресс-тестирования, подняв плотность тока до экстремальных 10 А/г, аккумулятор стабильно выдавал 120 мА·ч/г и выдержал колоссальные 93 400 циклов перезарядки без критической потери характеристик. Подобные показатели ресурса выводят разработку специалистов из Чанчуня в число абсолютных рекордсменов среди всех описанных в научной литературе цинковых систем на водной основе.
Стремясь доказать пригодность новой химии для реального энергетического сектора, авторы исследования не ограничились испытаниями миниатюрных лабораторных ячеек таблеточного типа и собрали полноценный прототип в мягком корпусе (pouch-cell) с загрузкой 150 миллиграммов иода. При рабочем напряжении 1,1 вольта этот опытный образец обеспечил чистую емкость на уровне 23,8 мА·ч. В условиях, максимально приближенных к практической эксплуатации, аккумулятор в мягком корпусе сохранил 91,7% емкости после 350 циклов. Предложенный подход опирается на доступный и безопасный металлический цинк, открывая энергетическим компаниям прямую дорогу к строительству долговечных и пожаробезопасных систем накопления энергии промышленного масштаба, полностью независимых от конъюнктуры рынка лития.
