В сотрудничестве с американской национальной лабораторией Ок-Ридж Исследовательскому центру Юлиха удалось с нанометровой точностью пронаблюдать, как во время работы на железном электроде формируются отложения. Глубокое понимание процессов во время зарядки и разрядки считается ключом к продвижению железо-воздушных батарей на рынок.
Частично из-за непреодолимых технических трудностей в 80-е годы исследования металло-воздушных батарей остановились. Однако в последние годы исследовательский интерес к ним стал быстро набирать силу. Железо-воздушные батареи получают энергию от реакции железа с кислородом. При этом процесс окисления железа очень похож на процесс образования ржавчины. Необходимый для этого кислород можно получить из окружающего воздуха и не нужно хранить в батарее. Такая экономия материала стала причиной того, почему металло-воздушные батареи достигают огромной плотности энергии.
Прогнозируемая теоретическая плотность энергии составляет для железо-воздушных более 1200 Втч / кг. Для сравнения: у современных литий-ионных аккумуляторов плотность энергии составляет около 600 Втч / кг или 350 Втч / кг с учетом веса корпуса ячейки. Литий-воздушные батареи, которые технически намного сложнее и дороже, могут достигать 11 400 Втч / кг.
С точки зрения объемной плотности энергии, железо-воздушные батареи работают еще лучше. Их плотность 9 700 Втч / л почти в пять раз выше, чем у литий-ионных батарей (2000 Втч / л). Даже литий-воздушные батареи достигают «всего» 6 000 Втч / л. Следовательно, железо-воздушные батареи особенно интересны для различных мобильных применений, где габариты играют важную роль.
«В наших исследованиях мы намеренно сосредоточились на типах батарей из таких материалов, которые очень часто встречаются в земной коре и добываются в больших количествах», — объясняет директор Института профессор Рюдигер-А. Айхель. «Таким образом, мы избегаем возникновения узких мест с поставками. С этим также связано экономическое преимущество, которое может быть перенесено непосредственно на батарею — особенно для крупномасштабных применений, таких как стационарные системы для стабилизации электросети или электромобильность».
Результаты исследований Юлиха создают новую базу для систематического улучшения свойств батареи. Используя так называемую электрохимическую атомно-силовую микроскопию in-situ в Центре нанофазного материаловедения Национальной лаборатории США Ок-Ридж, они смогли наблюдать с нанометровой точностью, как образуются отложения из частиц гидроксида железа (Fe (OH) 2) на железном электроде в условиях, которые наблюдаются при зарядке и разрядке аккумулятора.
«Высокое значение рН в 13,7 уже представляет собой пограничное условие для инструмента», — объясняет Хеннинг Вайнрих из Института исследований энергетики и климата Юлиха (IEK-9). «В Ок-Ридже мы первыми провели такой эксперимент в реальных условиях», — сказал Вайнрих, который три месяца находился в США для проведения измерений.
Из-за этих отложений мощность батареи не уменьшается. Напротив, поскольку нанопористый слой увеличивает активную площадь поверхности электрода, то он даже способствует небольшому увеличению емкости после каждого цикла зарядки и разрядки. Сейчас исследователи впервые получили полную картину роста этого слоя. «Ранее предполагалось, что во время зарядки эти отложения снова восстанавливаются. Но это, очевидно, не так», объясняет доктор Герман Темпель из Института исследований энергетики и климата Юлиха (IEK-9).
Кроме того, впервые была доказана прямая взаимосвязь между образованием слоя на поверхности электрода и электрохимическими реакциями.
Но до выхода на рынок еще долгий путь. Электроды из железа можно изолировать в лабораторных испытаниях даже без больших потерь мощности в течение нескольких тысяч циклов. Однако, железо-воздушные батареи в сборе, оснащенные воздушным электродом как противоположным полюсом, выдерживают пока еще только от 20 до 30 циклов.
Исследования были профинансированы в рамках проекта «Высокотемпературные и энергетические материалы», финансируемого Федеральным министерством образования и исследований, а результаты были достигнуты благодаря соглашению о сотрудничестве между Национальной лабораторией Ок-Ридж (ORNL) и Исследовательским центром Юлиха. Оба учреждения тесно сотрудничают с 2008 года в различных научных областях.
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2017/kw45/juelicher-forschen-an-eisen-luft-batterie.html