Команда Даляньского института химической физики (далее — «ДИХФ») Китайской академии наук создала первый в мире прототип газотвёрдотельной гидрид-ионной батареи (далее — «газотвёрдотельная батарея») с использованием газообразного водорода и металла в качестве электродов.
Батарея работает в режиме «совместного хранения водорода и электричества», обеспечивая зарядку водородом с выдачей электричества, а также зарядку электричеством с выделением водорода, что представляет собой практическую прототипную верификацию эффективного хранения водорода при нормальных температуре и давлении и решает давнюю ключевую проблему в области использования водородной энергетики.
Оригинальное достижение имеет огромное значение, предлагая совершенно новый технический путь решения проблемы хранения водорода, существующей в области водородной энергетики более полувека.
Оно полностью устраняет экстремальные условия, необходимые для традиционного хранения водорода, такие как высокое давление (700 атм) или криогенные температуры (−253 °C), и, как ожидается, даст начало новым технологиям хранения водорода, устраняя ключевые препятствия для масштабного развития водородной энергетической отрасли. Далее мы остановимся на технических деталях, которые важны для понимания изобретения.
Гидрид-ионы представляют собой «электронно-обогащённое» состояние водорода. В качестве носителей заряда они обладают выраженными характеристиками высокой реакционной способности и высокой энергии и считаются одним из ключевых путей разработки полностью твёрдотельных батарей следующего поколения.
Однако гидрид-ионы крайне нестабильны в естественных условиях — это свойство затрудняет их прямое применение учёными в электрохимическом накоплении энергии и является узким местом, сдерживающим развитие соответствующих технологий.
Так выглядит прототип газотвёрдотельной гидрид-ионной батареи.
Для преодоления этого технологического барьера команда ДИХФ разработала инновационную систему с использованием металлического магния и газообразного водорода в качестве активных материалов анода и катода соответственно, успешно собрав первую в мире газотвёрдотельную гидрид-ионную батарею, способную работать в широком диапазоне температур.
Ключевое преимущество батареи заключается в том, что гидрид-ионы обеспечивают высокую энергию, одновременно достигая интеграции с электрохимическим хранением водорода: при разряде газообразный водород восстанавливается до гидрид-ионов на катоде, а металл окисляется до катионов на аноде с образованием гидридов металлов; при зарядке оба электрода, соответственно, выделяют молекулы водорода и регенерируют металл, реализуя истинный синергетический эффект одновременной зарядки/разрядки и хранения/выделения водорода.
Экспериментальные данные показывают, что газотвёрдотельная батарея демонстрирует превосходные характеристики.
В заряжённом водородом состоянии начальная разрядная ёмкость достигает 1 526 мАч/г; при приложении напряжения 0,3 В при комнатной температуре может быть выделено приблизительно 6,0 мас.% водорода (в пересчёте на MgH₂ в электроде); после 60 циклов коэффициент сохранения ёмкости по-прежнему превышает 70%, а батарея способна стабильно работать в широком диапазоне температур от −20 °C до 90 °C.
Кроме того, команда собрала 10 единичных ячеек в последовательно соединённый батарейный блок с выходным напряжением более 2,4 В, успешно зажгла светодиодную лампу, ознаменовав официальный дебют прототипа газотвёрдотельной гидрид-ионной батареи. Анализ энергоэффективности показывает, что КПД использования энергии данной системы «совместного хранения водорода и электричества» может достигать 93,9%, что на треть превышает показатели традиционных методов термического хранения водорода.
Сергей Дмитриев
по материалам зарубежных СМИ
