Бескорроззионная бромисто-литиевая батарея обещает более длительный срок службы и более высокую плотность энергии
Аккумулятор FIAMM 12FGH23
Новая двухэлектронная бромидная химия резко снижает уровень коррозии и повышает производительность, открывая более широкие возможности для использования цинк-бромидных проточных батарей в масштабах энергосистемы.
Исследователи из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук разработали новый химический состав проточных аккумуляторов на основе брома, который устраняет одно из самых давних препятствий в развитии этой технологии: сильную коррозию, вызванную свободным бромом во время зарядки. Команда сообщает, что этот подход одновременно продлевает срок службы и повышает плотность энергии, потенциально улучшая коммерческие перспективы проточных аккумуляторов на основе цинка и брома (Zn/Br) для длительного хранения энергии.
Проточные бромисто-литиевые аккумуляторы привлекательны для использования в энергосетях, поскольку бром широко распространён, хорошо растворяется и обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Однако в обычных системах в ходе реакции заряда бромид (Br⁻) превращается в элементарный бром (Br₂). Накопление Br₂ приводит к агрессивной коррозии электродов, токосъёмников и мембран, что обычно ограничивает срок службы несколькими сотнями циклов и вынуждает использовать дорогостоящие, устойчивые к коррозии материалы, такие как фторированные мембраны и титановые компоненты.
Под руководством исследователя Ли Сяньфэна команда DICP разработала двухэлектронный окислительно-восстановительный механизм с участием брома, который позволяет избежать накопления свободного брома. Благодаря добавлению в электролит поглотителей брома на основе аминов с электроноакцепторными группами бром, образующийся во время зарядки, быстро превращается в стабильные бромированные амины. Это позволяет перейти от традиционной одноэлектронной пары Br⁻/Br₂ к двухэлектронному процессу Br⁻/Br⁺.
По данным DICP, концентрация свободного Br₂ в электролите снижается с нескольких сотен миллимолей в обычных системах до примерно 7 мМ, что эффективно предотвращает коррозию. Двухэлектронный перенос также почти удваивает теоретическую плотность энергии бромового католита.
Исследователи подтвердили работоспособность концепции с использованием недорогих нефторированных ионообменных мембран SPEEK, продемонстрировав стабильную работу без заметной коррозии мембран, электродов или токосъёмников. В демонстрационной системе мощностью 5 кВт батарея работала при плотности тока 40 мА/см² более 700 циклов, обеспечивая энергоэффективность выше 78 % — уровень, который обычно считается подходящим для коммерческого использования проточных батарей.
Работа под названием «Проточные батареи Zn/Br без коррозии на уровне сетки, работающие за счёт реакции многоэлектронного переноса» была опубликована в журнале Nature Energy. По словам представителей DICP, результаты показывают, что недорогие материалы могут заменить устойчивые к коррозии компоненты, что потенциально может снизить стоимость системы более чем на 30%.
Благодаря более длительному сроку службы, более высокой плотности энергии и более низкой стоимости материалов новая химическая формула может повысить конкурентоспособность проточных батарей Zn/Br по сравнению с литий-ионными системами в таких областях применения, как интеграция возобновляемых источников энергии, балансировка энергосистемы и микросети. По словам команды, следующим шагом станет масштабирование технологии для реализации пилотных проектов мощностью в мегаватты.
Цинк-бромидные проточные батареи накапливают энергию в циркулирующих водных электролитах, содержащих соединения цинка и брома. Во время зарядки на отрицательном электроде образуются цинковые пластины, а на положительном — соединения на основе брома. Эта технология ценится за свою безопасность, способность к глубокому разряду и пригодность для хранения в течение 4–12 часов, но исторически она была ограничена из-за коррозии, вызванной бромом. Команда DICP утверждает, что в значительной степени решила эту проблему.