Будущее аккумуляторов: магний вместо лития

Ученые СПбГУ предлагают альтернативный подход к устройствам хранения энергии, суть которого заключается в использовании магний-ионных аккумуляторов с водным электролитом. Создание подобных систем требует разработки новых катодных материалов, способных эффективно работать в водной среде. Решением этой задачи занимается группа ученых Санкт-Петербургского университета под руководством доцента СПбГУ Артема Селютина в рамках проекта «Современные катодные материалы для химических источников тока».

Потребность в системах резервного хранения энергии увеличивается с развитием областей энергетики, основанных на возобновляемых источниках энергии: солнце, ветре, приливе и отливе. Без вспомогательных аккумуляторов нельзя обойтись в периоды, когда на обслуживаемой территории пасмурно или безветренно. Использовать распространенные литий-ионные батареи в крупномасштабных устройствах аккумулирования энергии экономически невыгодно из-за дороговизны металлов. К тому же, агрессивные органические электролиты уменьшают срок службы современных Li-ионных аккумуляторов, делают их неэкологичными и пожароопасными при работе.

Замена импортного лития на отечественный магний особенно важна для России в рамках программы импортозамещения - магний на мировом рынке сегодня более чем в двадцать раз дешевле лития. Отказ от использования лития в пользу магния позволяет создавать экологичные аккумуляторы с водным электролитом, поскольку магний является более стабильным элементом. Уступая по мощности аккумуляторам с органическим электролитом, магний-ионные системы будут выигрывать с точки зрения надежности и длительности службы.

В ходе исследования в роли катодных материалов ученые СПбГУ предложили использовать ферроцианидные комплексы 3d-металлов. Главными достоинствами этих соединений являются высокая устойчивость ферроцианидного аниона, а также возможность интеркаляции (обратимой реакции внедрения каких-либо реагентов в межслоевое пространство кристаллических веществ со слоистым типом структуры) катионов легких металлов в полость кубической решетки комплексов в процессе переноса заряда, - рассказывает студентка 4 курса СПбГУ Анастасия Лаптенкова, работающая в составе научной группы.

В результате фундаментальных исследований обнаружено, что наиболее эффективными в электрохимическом процессе являются катодные материалы на основе комплексов, в состав которых помимо переходных металлов входят ионы магния. Результат показали электрохимические исследования катодных материалов на основе гексацианоферратов меди, содержащие магний. Ученые утверждают, что по величине мощности новые системы близки к аналогичным водным аккумуляторам.

В настоящее время система с исследуемым катодным материалом обладает мощностью порядка 30 Вт·ч/кг. Аналогичные устройства аккумулирования энергии на основе лития обеспечивают мощность до 84 Вт·ч/кг. Завершенность аккумулятора, а именно включение в систему усовершенствованного материала анода, объясняют их большую мощность.

По словам Артема Селютина, работа над магний-ионными водными аккумуляторами будет продолжена в направлении подбора эффективного материала анода, введение которого в систему позволит увеличить её мощность до показателей, превышающих литиевые аналоги.