Китайски учени създадоха изцяло нова йонна батерия, която е 6 пъти по-мощна от литиевите

Изследователи от Китай отбелязаха пробив в разработването на химически батерии, като представиха първия работещ прототип на батерия, базирана на хидридни йони – отрицателно заредени водородни йони. Литиевите батерии използват положително заредени литиеви йони, докато отрицателно заредените частици проявяват много по-„агресивно“ поведение в електролита.

„Това е напълно различна батерия.“

направиха категорично изявление разработчиците

За откритието съобщава екип от изследователи от Университета Дзилин, Института по химична физика в Далян на Китайската академия на науките (CAS) и Шанхайския институт за перспективни изследвания, като публикува статия в списание Nature. Представената хидридно-йонна батерия за първи път работи при стайна температура, което е новост за хидридните материали.

Хидридните йони се образуват, когато водороден атом улови допълнителен електрон, което прави тези носители по-енергийни и химически, както и електрически активни от литиевите йони. Това дава възможност за „фундаментално различни“ електрохимични процеси, демонстриращи ефективно съхранение и освобождаване на енергия без използване на течни електролити, което от своя страна свежда до минимум рисковете от утечки и пожари.

Интересно е, че нов материал за електролит със задържане на водородни йони е открит в процеса на търсене на хранилища за този газ за водородни горивни системи. Всички разработени преди това хидридни материали не можеха да се похвалят със стабилност на задържане на йони при ниски температури (условно стайна температура), като проявяваха свойствата си само при висока температура. Учените успяха да преодолеят това ограничение, като откриха необходимите свойства в такъв рядкоземен елемент като церия.

Ключовият елемент на новата батерия е композитен електролит на основата на цериев хидрид (CeH₃), покрит с бариев хидрид (BaH₂). Твърди се, че този материал, синтезиран за първи път и неописан досега в литературата, съчетава висока проводимост на хидридните йони при стайна температура с отлична термична и електрохимична стабилност.

Церият, като един от най-разпространените редкоземни метали (който обаче все още не се добива в масови количества поради високата цена на процеса), прави технологията икономически перспективна, тъй като запасите му в земната кора надвишават тези на медта и оловото. Анодът на батерията е изработен от цериево-хидриден материал, а катодът – от натриево-алуминиев хидрид (NaAlH₄), което осигурява съвместимост на компонентите и предотвратява нежелани реакции.

Експерименталните тестове потвърдиха изключителната производителност на новата батерия: първоначалният специфичен капацитет достигна 984 mAh/g с перспектива за достигане на 1200 mAh/g, което далеч надхвърля 150-300 mAh/g на типичните литиево-йонни батерии и 372 mAh/g теоретичен капацитет на графитния анод.

След 20 цикъла на зареждане и разреждане капацитетът се стабилизира на 402 mAh/g, а многослойната конфигурация повиши напрежението до 1,9 V, което позволи на жълтия светодиод да светне. С разнообразието от хидридни материали за по-нататъшна оптимизация, разработването на хидридно-йонни батерии открива широк спектър от възможности за съхранение и преобразуване на чиста енергия, включително горивни клетки и електролизери.

За разлика от литиевите батерии, които са склонни към образуване на дендрити – метални структури, които предизвикват къси съединения, използването на водорода като носител на заряд елиминира тези рискове и подобрява безопасността. Въпреки предизвикателствата, свързани с увеличаването на мащаба и подобряването на издръжливостта, тази технология може да доведе до революция в електромобилите, преносимите устройства и възобновяемата енергия, като улесни прехода към устойчиви енергийни източници.