Учені розробили безгалогенний електроліт для йодних водних батарей

Дослідники представили безгалогенний водний електроліт, який забезпечує оборотне чотириелектронне перетворення йоду в цинк-йодних та алюміній-йодних батареях. Такий процес потенційно подвоює теоретичну ємність йодного позитивного електрода — з 211 до 422 мА·год на грам. Про роботу повідомляє Nature.

У звичайних водних системах ключовою проблемою є нестабільність позитивно заряджених сполук йоду I+, які легко взаємодіють із водою та гідролізуються. Раніше для їх стабілізації застосовували висококонцентровані електроліти з хлоридом або бромідом, однак такі розчини мають високий вміст солей і є корозійними.

Поєднання трьох компонентів

Автори запропонували систему KA–PA–Nuc, що поєднує космотропний аніон, полярний аніон і нуклеофільний компонент. Полярні аніони формують на межі електрода середовище зі зниженим вмістом води та підвищеною концентрацією аніонів. Космотропні аніони послаблюють водневі зв’язки між водою й нуклеофільними молекулами, завдяки чому останні можуть стабілізувати I+ галогенними зв’язками.

Ефективність підходу перевірили з чотирма нуклеофільними компонентами: сечовиною, ацетамідом, піридином і нікотинамідом. У всіх цих варіантах оборотне перетворення I−/I0/I+ досягалося лише за одночасної присутності космотропного та полярного аніонів.

Результати випробувань батарей

У дослідах із цинк-йодними елементами сульфат-іони виконували роль космотропного компонента, а ацетат-іони — полярного. Спостереження методом інфрачервоної спектроскопії та моделювання показали, що ацетат допомагав витісняти воду з інтерфейсу електрода й утримувати сполуки йоду всередині електрода, обмежуючи їх перехід у об’єм електроліту.

За даними роботи, цинк-йодні комірки з таким електролітом зберегли 96% ємності після 1 000 циклів за струму 1 А на грам і 94% після 2 000 циклів за 2 А на грам. Чотириелектронне перетворення підтримувалося за масового навантаження йоду до 12,2 мг на квадратний сантиметр. Систему також випробували в алюміній-йодних батареях з негативним електродом зі сплаву алюмінію та цинку.

Автори зазначають, що зі збільшенням навантаження йоду посилюються незворотні втрати його запасу, які разом зі зворотними процесами впливають на кулонівську ефективність і зниження ємності. Техніко-економічне моделювання за стандартизованими припущеннями вказало на теоретичний потенціал зменшення витрат завдяки відмові від висококонцентрованих галогеновмісних електролітів і дорогих струмознімачів.