Представлена первая в мире «газотвердотельная батарея», достигнут новый прорыв в эффективном хранении водорода при комнатной температуре и атмосферном давлении

Недавно команда Даляньского института химической физики (далее — «ДИХФ») Китайской академии наук совершила крупный технологический прорыв, успешно создав первый в мире прототип газотвердотельной гидрид-ионной батареи (далее — «газотвердотельная батарея») с использованием газообразного водорода и металла в качестве электродов. Батарея работает в режиме «совместного хранения водорода и электричества», обеспечивая зарядку водородом с выдачей электричества, а также зарядку электричеством с выделением водорода, что представляет собой практическую прототипную верификацию эффективного хранения водорода при нормальных температуре и давлении и решает давнюю ключевую проблему в области использования водородной энергетики.

Сообщается, что гидрид-ионы представляют собой «электронно-обогащённое» состояние водорода. В качестве носителей заряда они обладают выраженными характеристиками высокой реакционной способности и высокой энергии и считаются одним из ключевых путей разработки полностью твердотельных батарей следующего поколения. Однако гидрид-ионы крайне нестабильны в естественных условиях — это свойство затрудняет их прямое применение учёными в электрохимическом накоплении энергии и является узким местом, сдерживающим развитие соответствующих технологий.

Для преодоления этого технологического барьера команда ДИХФ разработала инновационную систему с использованием металлического магния и газообразного водорода в качестве активных материалов анода и катода соответственно, успешно собрав первую в мире газотвердотельную гидрид-ионную батарею, способную работать в широком диапазоне температур. Ключевое преимущество этой батареи заключается в том, что гидрид-ионы обеспечивают высокую энергию батареи, одновременно достигая изящной интеграции с электрохимическим хранением водорода: при разряде газообразный водород восстанавливается до гидрид-ионов на катоде, а металл окисляется до катионов на аноде с образованием гидридов металлов; при зарядке оба электрода соответственно выделяют молекулы водорода и регенерируют металл, реализуя истинный синергетический эффект одновременной зарядки/разрядки и хранения/выделения водорода.

Экспериментальные данные показывают, что газотвердотельная батарея демонстрирует превосходные характеристики: в заряженном водородом состоянии начальная разрядная ёмкость достигает 1 526 мАч/г; при приложении напряжения 0,3 В при комнатной температуре может быть выделено приблизительно 6,0 мас.% водорода (в пересчёте на MgH₂ в электроде); после 60 циклов коэффициент сохранения ёмкости по-прежнему превышает 70%, а батарея способна стабильно работать в широком диапазоне температур от −20°C до 90°C. Кроме того, команда собрала 10 единичных ячеек в последовательно соединённый батарейный блок с выходным напряжением более 2,4 В, успешно зажгла светодиодную лампу, ознаменовав официальный дебют прототипа газотвердотельной гидрид-ионной батареи. Анализ энергоэффективности показывает, что КПД использования энергии данной системы «совместного хранения водорода и электричества» может достигать 93,9%, что на треть превышает показатели традиционных методов термического хранения водорода.

Это оригинальное достижение имеет огромное значение, предлагая совершенно новый технический путь решения проблемы хранения водорода, существующей в области водородной энергетики более полувека. Оно полностью устраняет экстремальные условия, необходимые для традиционного хранения водорода, такие как высокое давление (700 атм) или криогенные температуры (−253 °C), и, как ожидается, даст начало новым технологиям хранения водорода, устраняя ключевые препятствия для масштабного развития водородной энергетической отрасли.

Говоря о перспективах, команда ИХФ КАН заявила, что продолжит сосредотачиваться на прорывах в ключевых технологиях, концентрируя научно-исследовательские усилия на создании более эффективных гидрид-ионных проводников и электродных материалов, непрерывно улучшая общие характеристики батарей, разрабатывая собственные ключевые технологии, ускоряя практическое применение гидрид-ионных батарей и придавая новый импульс качественному развитию мировой водородной энергетической отрасли.