Ионы хлорида из морской воды могут заменить литий в батареях будущего
Натрий, калий и цинк – все они были многообещающими претендентами на место лития в перезаряжаемых батареях будущего, но исследователи из Вустерского политехнического института (WPI) добавили в смесь необычного и более распространенного конкурента: хлорид, самый богатый отрицательно заряженными ионами в морской воде.
Сяовэй Тэн, профессор химической инженерии им. Джеймса Х. Мэннинга в WPI, открыл новую окислительно-восстановительную химию, основанную на хлорид-ионах, для разработки экологически чистых аккумуляторов для морской воды.
Современные литий-ионные аккумуляторы, используемые в различных областях применения, включая электромобили, могут быть проблематичными для хранения в сети, учитывая их высокую стоимость и зависимость от критически важных материалов, таких как кобальт, никель и литий, а также их ограниченную географическую доступность. Например, шесть стран владеют более чем 85% запасов лития на суше.
Тэн и его коллеги—исследователи — Хит Тернер, профессор химической и биологической инженерии в Университете Алабамы, и Лихуа Чжан, Милинда Абейкун, Гихан Квон, Дэниел Олдс, все ученые-исследователи Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке – вышли за рамки современной технологии экологически чистых аккумуляторов, используя хлорид-ионы для расширения возможностей окислительно-восстановительная химия железооксидных аккумуляторных материалов.
Тэн и его коллеги сообщили о новом химическом составе батареи в статье “Введение хлорида усиливает электрохимическое окисление двухслойного гидроксида гидроксида железа в оксигидроксид в батареях из щелочного железа”, опубликованной в журнале Chemistry of Materials.
Это исследование показало, что введение хлорид-иона в слоистый двойной гидроксид Fe(OH)2 образовало промежуточный кристаллический материал цвета зеленой ржавчины, который способствовал реакции превращения Fe(OH)2/FeOOH с переносом одного заряда и улучшил стабильность цикла. Этот новый окислительно-восстановительный химический состав железа был обнаружен и исследован в лаборатории WPI. Тенг и его аспирант Сатья Нараянан Джагадисан, который является ведущим автором статьи, далее отправились в Департамент энергопотребляющих объектов Брукхейвенской национальной лаборатории, чтобы провести эксперименты по проверке результатов с использованием синхротронной рентгеновской дифракции operando и элементарного картирования высокого разрешения.
Тэн и его команда WPI создали водную батарею, небольшой лабораторный прототип, который работал в электролите на водной основе, используя электроды, изготовленные в основном из таких распространенных элементов, как оксиды и гидроксиды железа. Хотя команда еще не подсчитала стоимость, использование материалов, богатых землей, должно склонить чашу весов в их пользу, говорит Тен. В США ежегодно производится более 15 миллионов тонн отходов железного лома, которые не перерабатываются, многие из которых существуют в виде ржавчины. Таким образом, заявленный химический состав перезаряжаемых щелочно-железных аккумуляторов помогает перепрофилировать отходы от ржавчины железа для современных накопителей энергии.