Baterie zinc–iod cu peste 60.000 de cicluri: alternativa fără litiu pentru stocarea energiei — NRG-IA

O baterie construită din zinc, iod și un electrolit pe bază de apă a trecut de 60.000 de cicluri de încărcare–descărcare într-un experiment publicat în Angewandte Chemie International Edition . În regimul cu cea mai mare durabilitate, capacitatea specifică a pornit de la aproximativ 149 mAh/g și a rămas în jur de 148 mAh/g după cele 60.000 de cicluri , un rezultat care aduce în prim-plan o altă direcție pentru stocarea energiei: baterii fără litiu proiectate pentru utilizare extrem de intensă. Cercetarea este realizată de o echipă de la Flinders University și colaboratorii săi, iar tehnologia atacă o problemă esențială a bateriilor zinc–iod: iodul formează în timpul funcționării specii chimice mobile care pot traversa electrolitul, pot ajunge la anodul de zinc și pot accelera degradarea. Soluția cercetătorilor este surprinzător de simplă conceptual. Au construit un polimer pe bază de β-ciclodextrină , ale cărui cavități moleculare captează speciile de iod și le împiedică să circule liber prin baterie. În loc să modifice fundamental chimia zincului sau să introducă un material exotic, echipa a creat un fel de rețea de „cuști moleculare” pentru iod. Rezultatul combină trei proprietăți foarte importante pentru o baterie destinată stocării staționare: ciclare foarte îndelungată, încărcare rapidă și utilizarea unui electrolit apos . 60.000 de cicluri schimbă modul în care poate fi folosită o baterie Numărul de cicluri este una dintre cifrele care determină economia reală a unui sistem de stocare. În termeni simpli, un ciclu înseamnă încărcarea și descărcarea bateriei. În exploatarea comercială se utilizează frecvent noțiunea de ciclu complet echivalent, astfel încât utilizări parțiale succesive pot fi însumate până la echivalentul unei încărcări și descărcări complete. Diferența dintre 5.000, 15.000 și 60.000 de cicluri devine uriașă atunci când bateria este utilizată zilnic. Un sistem care ar putea realiza 60.000 de cicluri complete ar avea, pur aritmetic, suficientă rezervă de ciclare pentru aproximativ 164 de ani la un ciclu pe zi, 82 de ani la două cicluri, 41 de ani la patru cicluri sau puțin peste 20 de ani la opt cicluri pe zi. Durata fizică a unei baterii comerciale ar fi limitată și de îmbătrânirea calendaristică, coroziune, separator, electrolit, conexiuni și celelalte componente ale sistemului. Semnificația celor 60.000 de cicluri este alta: într-un proiect energetic de 20 de ani, ciclarea ar putea deveni mult mai puțin restrictivă decât este pentru multe baterii actuale . Un sistem care funcționează o dată pe zi acumulează aproximativ 7.300 de cicluri în 20 de ani. Două cicluri zilnice înseamnă circa 14.600. Patru cicluri pe zi duc totalul spre 29.200. Abia în apropierea a opt cicluri complete în fiecare zi, timp de două decenii, se ajunge în zona celor 60.000. Pentru o baterie de rețea, aceasta poate conta mai mult decât promisiunea unei durate calendaristice spectaculoase: bateria ar putea fi folosită mult mai intens. Bateriile comerciale au ajuns deja la zeci de mii de cicluri Comparația cu tehnologiile disponibile astăzi arată proporția reală a rezultatului. Sistemele moderne LFP — litiu-fier-fosfat — pentru stocare staționară au avansat puternic. CATL indică pentru actualele sale soluții de stocare TENER o durată proiectată de aproximativ 15.000 de cicluri și peste 20 de ani de operare. La 60.000 de cicluri, rezultatul Flinders este astfel de aproximativ patru ori mai mare decât acest reper comercial LFP , comparând strict numărul declarat de cicluri. Există și baterii comerciale specializate pentru durabilitate mult mai mare. Toshiba declară peste 20.000 de cicluri pentru gama SCiB cu anod de titanat de litiu, iar pentru o celulă high-power de 2,9 Ah raportează peste 80% din capacitatea inițială după 40.000 de cicluri , într-un regim de testare foarte solicitant. Bateriile redox-flow cu vanadiu operează într-o altă arhitectură și sunt comercializate pentru peste 20.000 de cicluri profunde și durate de viață de ordinul a 25 de ani. Prin urmare, 60.000 de cicluri nu pornesc de la o piață în care bateriile actuale rezistă doar câteva sute sau câteva mii de utilizări. Performanța comercială a crescut deja enorm. Saltul Flinders rămâne însă remarcabil prin combinația dintre durabilitate și o chimie bazată pe zinc, iod și apă , fără litiu. „Cuștile” moleculare opresc iodul să degradeze bateria Una dintre dificultățile bateriei zinc–iod apare tocmai din faptul că speciile de iod implicate în reacțiile electrochimice pot fi solubile. În timpul încărcării și descărcării se formează poliioduri care se pot deplasa prin electrolit. Dacă ajung la anod, pot reacționa cu zincul, consumă material activ și favorizează reacții nedorite. Fenomenul este cunoscut drept polyiodide shuttle și reduce eficiența și durata de viață. Echipa Flinders a folosit β-ciclodextrina, o moleculă ciclică din familia oligozaharidelor. Particularitatea ei este cavitatea din centru, capabilă să găzduiască anumite molecule sau ioni.…