Прорыв в накопителях энергии: цинк-бромные батареи без коррозии

Исследователи представили инновационное решение для цинк-бромных проточных батарей, устраняющее одну из ключевых проблем их производительности и долговечности – коррозию. Разработанная система с использованием молекулярного "ловушки" позволяет создавать накопители энергии высокой плотности и с длительным сроком службы.

Добавление сульфамата натрия (SANa) в электролит позволяет эффективно связывать бром (Br₂), образующийся в процессе работы батареи, превращая его в бромированное аминосоединение. Это не только значительно снижает коррозийное воздействие брома, продлевая срок службы компонентов, но и делает батареи более безопасными для окружающей среды и персонала.

В сравнении с традиционными цинк-бромными батареями, которые демонстрируют резкое падение производительности уже после 30 циклов из-за коррозии, новые проточные системы с SANa показали стабильную работу на протяжении более 700 циклов, что эквивалентно почти 1400 часам эксплуатации, без существенной потери мощности.

Проточные батареи являются перспективным решением для хранения энергии, особенно в контексте возобновляемой энергетики. Их особенность заключается в хранении энергии в жидких электролитах, находящихся во внешних резервуарах, что обеспечивает высокую масштабируемость и безопасность.

Цинк-бромные проточные батареи привлекают особое внимание благодаря своей высокой плотности энергии и использованию недорогих материалов, что делает их потенциальной альтернативой традиционным перезаряжаемым аккумуляторам. Принцип работы основан на перекачке жидких растворов через центральный блок реакций.

В процессе зарядки ионы цинка осаждаются на отрицательном электроде в виде твердого металла, а ионы бромида окисляются до брома на положительном электроде. При разрядке эти процессы обращаются, высвобождая накопленную электрическую энергию.

Основным недостатком существующих бромистых проточных батарей является их ограниченный срок службы. Активный бром вызывает деградацию электродов, трубопроводов и даже резервуаров для хранения. Кроме того, летучесть и токсичность брома представляют опасность при утечках.

Научные сотрудники обнаружили, что сульфамат натрия выступает в роли химического агента, эффективно нейтрализующего бром. SANa инициирует реакцию диспропорционирования, в результате которой бром связывается, образуя менее активное соединение – N-бромосульфамат натрия. Это позволило снизить концентрацию свободного брома до безопасного уровня.

Связывание брома также привело к важному следствию: двухэлектронному переносу, что увеличило энергоемкость батареи. Новая система с SANa достигла плотности энергии 152 Вт·ч/л, в то время как традиционные аналоги показывают лишь 90 Вт·ч/л.

Экспериментальная установка мощностью 5 кВт, состоящая из 30 последовательно соединенных элементов, подтвердила стабильность более 700 циклов работы. Новая конструкция не только обеспечивает длительный срок службы, но и снижает затраты за счет исключения необходимости использования дорогостоящих мембран, насосов и резервуаров, устойчивых к коррозии.

Разработчики выражают надежду, что полученные результаты позволят в будущем создавать безопасные, долговечные и высокоэнергетические бромистые проточные батареи для масштабного применения в энергетических сетях.