USTC מפתחת סוללות ליתיום-מימן נטענות בעלות ביצועים גבוהים

צוות מחקר בראשות פרופ' צ'ן ווי מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC) הציג מערכת סוללות כימית חדשה המשתמשת בגז מימן כאנודה. המחקר פורסם ב...מהדורה בינלאומית של Angewandte Chemie.

מימן (H₂) זכה לתשומת לב כנשא אנרגיה מתחדשת יציב וחסכוני בשל תכונותיו האלקטרוכימיות החיוביות. עם זאת, סוללות מסורתיות מבוססות מימן משתמשות בעיקר ב-H2₂כקתודה, מה שמגביל את טווח המתח שלהם ל-0.8–1.4 וולט ומגביל את קיבולת אחסון האנרגיה הכוללת שלהם. כדי להתגבר על המגבלה, צוות המחקר הציע גישה חדשנית: שימוש ב-H2₂כאנודה כדי לשפר משמעותית את צפיפות האנרגיה ואת מתח העבודה. בשילוב עם ליתיום מתכת כאנודה, הסוללה הציגה ביצועים אלקטרוכימיים יוצאי דופן.

סכמטיקה של סוללת Li−H. (תמונה מאת USTC)

החוקרים תכננו אב טיפוס של מערכת סוללות Li-H, המשלבת אנודת ליתיום מתכת, שכבת דיפוזיה גז מצופה פלטינה המשמשת כקתודה של מימן, ואלקטרוליט מוצק (Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(הזמנת רכש₄)₃, או LATP). תצורה זו מאפשרת הובלה יעילה של יוני ליתיום תוך מזעור אינטראקציות כימיות לא רצויות. באמצעות בדיקות, סוללת ה-Li-H הוכיחה צפיפות אנרגיה תיאורטית של 2825 וואט-שעה/ק"ג, תוך שמירה על מתח קבוע של כ-3 וולט. בנוסף, היא השיגה יעילות הלוך ושוב (RTE) יוצאת דופן של 99.7%, דבר המצביע על אובדן אנרגיה מינימלי במהלך מחזורי טעינה ופריקה, תוך שמירה על יציבות ארוכת טווח.

כדי לשפר עוד יותר את יעילות העלות, הבטיחות ופשטות הייצור, הצוות פיתח סוללת Li-H ללא אנודה שמבטלת את הצורך במתכת ליתיום מותקנת מראש. במקום זאת, הסוללה משקיעת ליתיום ממלחי ליתיום (LiH₂PO₄ו-LiOH) באלקטרוליט במהלך הטעינה. הגרסה שומרת על היתרונות של סוללת Li-H סטנדרטית תוך הצגת יתרונות נוספים. היא מאפשרת ציפוי והסרת ליתיום יעילים עם יעילות קולומבית (CE) של 98.5%. יתר על כן, היא פועלת ביציבות גם בריכוזי מימן נמוכים, מה שמפחית את התלות באחסון H₂ בלחץ גבוה. מודלים חישוביים, כגון סימולציות תורת פונקציונל הצפיפות (DFT), בוצעו כדי להבין כיצד יוני ליתיום ומימן נעים בתוך האלקטרוליט של הסוללה.

פריצת דרך זו בטכנולוגיית סוללות Li-H מציגה הזדמנויות חדשות לפתרונות מתקדמים לאגירת אנרגיה, עם יישומים פוטנציאליים המשתרעים על פני רשתות אנרגיה מתחדשת, כלי רכב חשמליים ואפילו טכנולוגיית תעופה וחלל. בהשוואה לסוללות ניקל-מימן קונבנציונליות, מערכת Li-H מספקת צפיפות אנרגיה ויעילות משופרות, מה שהופך אותה למועמדת חזקה לאגירת חשמל מהדור הבא. הגרסה נטולת האנודה מניחה את היסודות לסוללות מבוססות מימן בעלות עלות-תועלת וניתנות להרחבה.

קישור למאמר:https://doi.org/10.1002/ange.202419663

(נכתב על ידי ZHENG Zihong, בעריכת WU Yuyang)