Chińscy badacze znaleźli sposób, by cyna w akumulatorach przepływowych wykorzystywała pełną zdolność do przekazywania ładunku. Wystarczyło zmienić skład elektrolitu: do roztworu chlorkowego dodano jony jodu. Rozwiązanie sprawdzono w prototypie z 20 ogniw, który pracował ponad 1000 godzin.

Połowa potencjału leżała odłogiem

Cyna może wymieniać cztery elektrony, przechodząc z postaci jonów rozpuszczonych w cieczy w metal osadzony na elektrodzie. W kwaśnych bateriach cynowych zwykle wykorzystuje się jednak tylko reakcję dwuelektronową, więc połowa możliwego ładunku pozostaje niedostępna.

W akumulatorze przepływowym energia jest magazynowana w ciekłych elektrolitach, które krążą przez ogniwa. Im więcej użytecznego ładunku mieści się w cieczy, tym mniejsza objętość jest potrzebna do przechowania tej samej energii. Pełne cztery elektrony oznaczają dwa etapy: jony cyny przyjmują najpierw dwa elektrony, potem kolejne dwa i osadzają się jako metal. Przy rozładowaniu kolejność się odwraca. Wcześniej cztero-elektronową chemię cyny pokazano w roztworach zasadowych. Nowa praca dotyczy innego problemu: uczynienia pierwszego etapu łatwo odwracalnym w środowisku kwaśnym.

Dlaczego dodatek jodu pomaga

Zespół z Dalian Institute of Chemical Physics i Wuhan University (m.in. Yue Ao, Congxin Xie i Xiaoxiao Wang) połączył eksperymenty z symulacjami molekularnymi. Okazało się, że jony chlorkowe silnie wiążą się wokół rozpuszczonej cyny. Aby elektrony mogły przejść, to otoczenie musi się przearanżować, co kosztuje energię i spowalnia reakcję.

Jod tworzy słabsze wiązania, więc przearanżowanie jest łatwiejsze. Sam jodek ma jednak wadę: związek cyny prawie się w nim nie rozpuszcza, a ciecz z małą ilością substancji czynnej nie zmagazynuje dużo ładunku. Rozwiązaniem była mieszanina. Chlorki utrzymują w roztworze dużo cyny, a jodki ułatwiają przekaz elektronów. Proporcje mają znaczenie, bo przy zbyt dużej ilości jodu zaczyna się wytrącać osad.

Co pokazały testy

• Z chemią bromową po drugiej stronie baterii zmodyfikowany elektrolit zwracał około 89% energii dostarczonej podczas ładowania. Porównawcza bateria chlorkowa przy tej samej gęstości prądu oddawała tylko 53%.
• Bardziej stężona wersja osiągnęła 205 Wh na litr elektrolitu po stronie cynowej.
• Stos 20 ogniw dawał około 800 W i wykonał ponad 260 cykli ładowania i rozładowania w ciągu 1000 godzin.

Autorzy podsumowują: „Wyniki te potwierdzają wykonalność i niezawodność nowo zaprojektowanej anody cynowej”.

Testy ujawniły też słabość. Jony jodu i cyny stopniowo przenikały przez membranę oddzielającą obie strony baterii. Gdy jodu w elektrolicie cynowym ubywało, nowa reakcja stawała się mniej odwracalna, a sprawność spadała. W części prób malała też pojemność. Zachęcające jest to, że w długich testach nie zauważono ostrych, rozgałęzionych narośli cyny, które mogłyby być groźne w baterii wielokrotnie osadzającej i rozpuszczającej metal.

Co to oznacza w praktyce

To wynik laboratoryjny i prototypowy, a nie produkt, który można kupić. Akumulatory przepływowe są rozważane głównie jako stacjonarne magazyny energii, na przykład przy sieciach i instalacjach odnawialnych, gdzie liczy się skalowalność i trwałość. Dla polskiego czytelnika to kolejny sygnał, że poza bateriami litowo-jonowymi rozwijane są alternatywy. Nie ma jednak informacji, by ta technologia była już testowana w Polsce lub w UE.

Aby chemia trafiła do praktyki, trzeba najpierw rozwiązać problem przenikania jonów przez membranę i dłużej sprawdzić stabilność. Praca pokazuje, że o dostępnej pojemności materiału decydują nie tylko on sam, ale też jony, które go otaczają. Muszą one pozostawać na swoim miejscu cykl po cyklu.

Źródło: Tech Xplore – „Electrolyte redesign unlocks tin’s full charge capacity for flow batteries”