Неожиданное открытие позволило создать лучший аккумулятор

27.07.2016

Возобновляемые источники энергии возможны благодаря химическим преобразованиям

Разработанный в Тихоокеанской Северо-Западной Национальной Лаборатории (PNNL) аккумулятор на Zn-MnO2 основе – хорошая альтернатива для сбережения возобновляемой энергии и поддержания электроэнергетических систем. Это более экономичный и экологически чистый аккумулятор.

Ричлэнд, Вашингтон. -  Неожиданное открытие привело к созданию аккумулятора, по стоимости сравнимого с обычным недорогим автомобильным аккумулятором, но имеющим гораздо большую  емкость. Новая разработка может стать альтернативой для уже имеющегося оборудования.

Команда разработчиков из Департамента Энергетики PNNL обнаружила этот замечательный эффект в процессе работы над новой батареей. Ученые поняли, что процессы протекают не так, как они ранее предполагали. Статья была опубликована в журнале Nature Energy.

«Идея создания аккумулятора на основе цинк-марганец не нова; ученые давно пытались найти более эффективную замену литий-ионным батареям, еще с конца 1990-х годов», сказал корреспонденту журнала Юн Ли, научный сотрудник лаборатории. «Но такие аккумуляторы обычно перестают работать после нескольких циклов перезарядки. Наши исследования показывают, что такое может происходить потому, что мы не могли контролировать сохранение химического равновесия в цинк-марганцевых аккумуляторах.»

Химическое отклонение

После нескольких лет исследований  литий-ионных аккумуляторов ученые привыкли думать об ионах лития, как о своеобразных челноках, снующих туда-сюда. Литий-ионные аккумуляторы высвобождают энергию с помощью процесса , который называется интеркаляция (внедрение). При этом ионы лития перемещаются между двумя электродами через микроскопические промежутки между атомами.

Это понятие об аккумуляторах настолько укоренилось, что когда ученые из PNNL, в сотрудничестве с Вашингтонским Университетом, решили рассмотреть дешевую и безопасную замену для литий-ионных аккумуляторов, - цинк-марганцевые -  они думали, что цинк будет вести себя так же, как литий.

После тестирования команда была удивлена результатами – обнаружилось, что происходят совсем другие процессы. Вместо простого перемещения ионов цинка, в Zn-MnO2 аккумуляторе происходила возобновляемая химическая реакция, которая преобразовывала активные вещества в совершенно новые.

Привлекательная альтернатива

Ли и его коллеги начали исследовать Zn-MnO2 аккумуляторы, потому что на бумаге это выглядело многообещающе. Они могли быть такими же дешевыми, как свинцово-кислотные батареи, так как использовались недорогие материалы (цинк и марганец). А емкость аккумулятора была больше. Ученые из PNNL надеялись, что они смогут создать более эффективный аккумулятор, если как можно лучше разберутся в его внутренней работе.

Поэтому они сконструировали свою собственную батарею с отрицательным цинковым электродом и положительным MnO2, и электролитом на основе воды. Малюсенькие батарейки (размером с кнопку) несколько раз заряжались и разряжались. Как и другие, они быстро теряли способность аккумулировать энергию после нескольких циклов. Но почему?

Детальное исследование

Чтобы разобраться, для начала провели детальный химический и структурный анализ электролита и электродов. К величайшему удивлению, не было найдено доказательств, что цинк взаимодействует с оксидом марганца в процессе зарядки и разрядки аккумулятора, как ожидалось. Это заставило исследователей задаться вопросом, происходит ли процесс интеркаляции. Может быть, Zn-MnO2 батареи меньше похожи на литий-ионные, а больше на традиционные свинцово-кислотные, для которых тоже характерна химическая конверсия.

Для более глубоко изучения электроды были исследованы различными методами с помощью современного технологического оборудования, включая электронный микроскоп, ядерный магнитный резонанс и рентген. Оборудование было предоставлено PNNL и EMSL. В результате было показано, что оксид марганца реагирует с водным электролитом, и образуется новое вещество – гидроксил сульфат цинка.

Как правило, Zn-MnO2 аккумуляторы значительно теряют емкость после нескольких циклов. Это происходит потому, что марганец от положительного электрода начинает отслаиваться, а это делает активное вещество аккумулятора неспособным к накоплению энергии. Но после того, как некоторое количество марганца растворяется в электролите, батарея постепенно стабилизируется и начинает снова накапливать энергию, хотя и на более низком уровне.

Исправить просто

Команда использовала новые знания, чтобы предотвратить отслаивание. Зная, что произошло с батареей, можно замедлить скорость растворения марганца путем повышения его концентрации в электролите.

Исследователи добавляли ионы марганца в электролит новой тестируемой батареи и подвергали ее очередным испытаниям. На этот раз батарея достигла емкости 285 мА\ч на 1 грамм оксида марганца после 5000 циклов, сохраняя при этом  92% емкости.

«Эти исследования показали, что равновесие нужно контролировать в ходе химической реакции, чтобы улучшить показатели», сказал Ли, «В результате, Zn-MnO2 аккумуляторы могут быть более жизнеспособными для решения больших энергетических задач».

Команда продолжит свои исследования. Теперь, когда появилось знание о реакциях веществ при химической конверсии, можно двигаться дальше,  чтобы идентифицировать различные промежуточные этапы для создания этих веществ. Также команда продолжит работу с электролитом, чтобы посмотреть, какое влияние оказывают дополнительные изменения.