Прорыв в области железосодержащих аккумуляторов улучшает устойчивое хранение энергии

По мере развития 21-го века человечество сталкивается с беспрецедентными энергетическими вызовами. Чрезмерное потребление ископаемого топлива привело к серьезному загрязнению окружающей среды и ускорило риски изменения климата. Глобальный консенсус сейчас отдает приоритет поиску чистых, эффективных и устойчивых энергетических решений. Технология хранения энергии служит критическим звеном между производством и потреблением энергии, играя жизненно важную роль в создании новых энергетических систем.

Полностью железные аккумуляторы (AIB), использующие соединения на основе железа как для анодных, так и для катодных материалов, предлагают несколько присущих им преимуществ, которые позиционируют их как перспективные альтернативы в хранении энергии.

Железо входит в число самых распространенных металлов на Земле, что делает его значительно более доступным, чем редкие металлы, такие как литий, кобальт и никель. Используя соединения на основе железа, AIB существенно снижают стоимость материалов, потенциально демократизируя доступ к хранению чистой энергии.

Благодаря химически стабильным соединениям на основе железа, AIB демонстрируют замечательную устойчивость к тепловому разгону и другим угрозам безопасности. Эта стабильность обеспечивает надежную работу даже в экстремальных условиях, что делает их идеальными для применения в жилых домах и в масштабах энергосистем.

Нетоксичная природа и возможность переработки железа соответствуют глобальным целям устойчивого развития. По сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами, AIB предлагают уменьшенное воздействие на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла — от производства до утилизации.

Широкое глобальное распространение ресурсов железа устраняет опасения по поводу нехватки материалов и геополитической зависимости, которые преследуют технологии аккумуляторов на основе редких металлов.

Разработка технологии AIB прошла через несколько поколений усовершенствования и инноваций.

В ранних версиях AIB 1.0 и 2.0 использовались водные пастообразные электроды с высококонцентрированными проводящими углеродными добавками. Несмотря на демонстрацию разумной стабильности с 1000 циклами при неглубоком (5%) использовании емкости, эти ранние версии страдали от ограниченной плотности мощности (0,002 мВт/см²) из-за медленной кинетики переноса электронов между соединениями железа.

AIB 3.0 представляет медиаторы окислительно-восстановительного переноса — метилвиологен (MV) для анода и ABTS для катода — для ускорения переноса электронов. Эти коммерчески доступные добавки работают при окислительно-восстановительных потенциалах, совместимых с соединениями железа, значительно улучшая плотность мощности при сохранении экономической эффективности.

Медиаторы окислительно-восстановительного переноса представляют собой технологический прорыв AIB 3.0, обеспечивающий более быстрые реакции электродов за счет эффективного переноса электронов:

• На аноде: MV²⁺ облегчает перенос электронов от Fe(0) к Fe(OH)₂
• На катоде: ABTS опосредует перенос электронов между Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃

Эффективные медиаторы окислительно-восстановительного переноса должны демонстрировать:

1. Сильную окислительно-восстановительную активность при совместимых потенциалах
2. Химическую стабильность в рабочих условиях
3. Хорошую растворимость в электролитах
4. Экономическую эффективность
5. Экологическую безопасность

AIB 3.0 реализует стратегии для смягчения реакции выделения водорода (HER), которая снижает кулоновскую эффективность и создает угрозу безопасности:

• Оптимизация электролита с ингибиторами коррозии
• Точный контроль потенциала электрода
• Выбор материалов электродов с высоким перенапряжением

Сочетание инноваций дает значительные улучшения:

• Существенно увеличенная плотность мощности
• Увеличенный срок службы цикла
• Улучшенный профиль безопасности
• Сохранены преимущества в стоимости

Технология AIB демонстрирует перспективность в нескольких секторах:

• Хранение в жилых домах: Сочетание с солнечными системами для энергетической независимости
• Хранение в энергосистемах: Стабилизация энергосетей и улучшение использования
• Портативное питание: Безопасные, долговечные мобильные энергетические решения
• Электрические транспортные средства: Экономичный, устойчивый транспорт

Дальнейшие инновации могут быть сосредоточены на:

• Передовых электродных материалах на основе железа
• Высокопроизводительных электролитах
• Оптимизированных архитектурах аккумуляторов
• Улучшенных окислительно-восстановительных медиаторах
• Интеллектуальных системах управления

AIB 3.0 представляет собой значительный прогресс в технологии хранения энергии благодаря своему инновационному механизму окислительно-восстановительного переноса и стратегиям смягчения HER. По мере продолжения разработки полностью железные аккумуляторы могут стать основным решением для создания устойчивых энергетических систем, предлагая убедительные преимущества в безопасности, стоимости и воздействии на окружающую среду.