Цинковая проточная батарея проработала более 5 тыс. часов

Исследователи Фуданьского университета и Китайской академии наук разработали проточную батарею на основе цинковой суспензии, предназначенную для длительного хранения электроэнергии из возобновляемых источников. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Energy.

В новой системе цинк используется не в виде неподвижного металлического электрода, а как динамический носитель энергии. Наночастицы металла находятся во взвешенном состоянии в электропроводящей жидкости и циркулируют между резервуаром и электрохимической ячейкой.

Во время зарядки и разрядки происходит обратимое превращение металлического цинка в ионы Zn²⁺ и обратно. Такой принцип позволяет отделить объём хранимой энергии от мощности установки: ёмкость системы можно увеличивать за счёт расширения резервуаров с суспензией, не меняя размеры электрохимической ячейки.

Разработка включает три основных компонента: наночастицы цинка, полую углеродную структуру и электролит с регулируемым лигандным составом. Цинк служит активным материалом, углеродная сеть обеспечивает прохождение электрического тока и препятствует оседанию частиц, а состав электролита стабилизирует границу между металлом и жидкой средой.

Одной из основных проблем традиционных цинковых аккумуляторов остаётся постепенное разрушение поверхности электрода при многократных циклах зарядки и разрядки. На неподвижном цинковом электроде могут формироваться неоднородные отложения, побочные продукты реакций и дендриты, ухудшающие характеристики и сокращающие срок службы батареи.

В проточной системе активный материал непрерывно перемещается, поэтому электрохимическая реакция не сосредоточена на одной неподвижной поверхности. По словам разработчиков, сочетание циркуляции суспензии и управления межфазной химией позволило ограничить агрегацию частиц, паразитные реакции и деградацию материала.

В ходе испытаний кулоновская эффективность системы достигла 99,94%. Этот показатель отражает соотношение количества электрического заряда, полученного при разрядке, к заряду, затраченному на зарядку батареи.

Симметричные ячейки с циркулирующей цинковой суспензией непрерывно работали в течение 5128 часов. Созданные на основе новой архитектуры цинк-марганцевые батареи после 5500 циклов зарядки и разрядки сохранили 81,1% первоначальной ёмкости.

Цинк рассматривается как перспективный материал для стационарных накопителей благодаря сравнительно низкой стоимости, распространённости, высокой объёмной ёмкости и меньшим рискам возгорания по сравнению с рядом литий-ионных систем. При этом применение металла в традиционных аккумуляторах ограничивается недостаточной стабильностью электродов.

Проточные батареи могут использоваться для хранения избыточной электроэнергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми электростанциями. Накопленная энергия может поступать в сеть в периоды снижения солнечной активности, отсутствия ветра или роста потребления.

Для увеличения ёмкости такой установки достаточно нарастить объём резервуаров и количество циркулирующего активного материала. Эта особенность делает проточные системы потенциально пригодными для длительного хранения энергии на уровне предприятий и энергосетей.

Разработка пока прошла лабораторные испытания. Следующим этапом станет создание более крупных установок, проверка их работы при переменных нагрузках и оценка энергозатрат на перекачивание суспензии. Исследователям также предстоит оптимизировать состав активной массы, повысить энергетическую плотность и обеспечить устойчивое движение частиц внутри системы.

Авторы работы намерены изучить возможность применения проточной архитектуры с другими металлами. По их оценке, такой подход может стать основой для новых накопителей, сочетающих высокую ёмкость, безопасность, длительный срок службы и возможность масштабирования.