Цинк-ионный аккумулятор
Цинк -ионный аккумулятор или Zn-ионный аккумулятор (сокращенно ZIB ) использует цинка ионы (Zn 2+ ) в качестве носителей заряда . [ 1 ] В частности, ZIB используют Zn в качестве анода , интеркалирующие Zn материалы в качестве катода и Zn-содержащий электролит . Обычно термин «цинково-ионная батарея» используется для обозначения перезаряжаемых (вторичных) батарей, которые иногда также называют перезаряжаемыми металлическими цинковыми батареями (RZMB). [ 2 ] Таким образом, ЗИБ отличаются от неперезаряжаемых (первичных) батарей, в которых используется цинк, таких как щелочные или угольно-цинковые батареи.
История
[ редактировать ]В 2011 году группа Фейю Канга впервые продемонстрировала обратимое внедрение ионов Zn в туннельную структуру основного диоксида марганца альфа-типа (MnO 2 ), используемого в качестве катода в ZIB. [ 3 ] [ 4 ]
Университету Ватерлоо в Канаде принадлежат патентные права на технологию цинк-ионных аккумуляторов, разработанную в его лабораториях. [ 5 ] [ 6 ] Канадская компания Salient Energy занимается коммерциализацией технологии цинк-ионных аккумуляторов. [ 7 ]
Другие формы перезаряжаемых цинковых батарей также разрабатываются для стационарного хранения энергии , хотя они не являются явно ионно-цинковыми. Например, компания Eos Energy Storage разрабатывает цинк-галогенидную батарею, в которой катодная реакция включает окисление и восстановление галогенидов. [ 8 ] Eos Energy Storage производит 1,5 ГВтч цинковых батарей «Сделано в Америке», которые будут использоваться в электросетях Техаса и Калифорнии. [ 9 ] [ 10 ]
Исследовать
[ редактировать ]Мотивация и проблемы
[ редактировать ]По сравнению с металлическим литием, отрицательный электрод из цинка имеет более высокую теоретическую объемную емкость и естественное содержание. В зависимости от положительного электрода ZIB такие теоретические преимущества могут также присутствовать по сравнению с литий-ионными батареями (LIB). Кроме того, цинк более совместим с водными электролитами. Однако ZIB обычно демонстрируют более низкую кулоновскую (зарядовую) эффективность, чем современные LIB, более высокие перенапряжения при нанесении покрытия и нанесении полос на отрицательном электроде, а также возможность разрушения дендрита. [ 2 ] [ 11 ]
Химия
[ редактировать ]Как водные, так и неводные электролиты исследуются в качестве кандидатов на роль ЗИБ. Соли цинка с использованием анионов TFSI или трифлата рассматривались как для водных, так и для неводных электролитов. сульфат цинка и щелочные водные электролиты на основе КОН . Также были рассмотрены [ 2 ] [ 11 ]
До сих пор для ЗИБ исследовано несколько катодных материалов, в том числе MnO 2 гамма-, дельта-типа , гексацианоферрат меди, оксид висмута, слоистые сульфиды и аналоги берлинской лазури. [ 2 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Например, в 2017 году исследователи сообщили о прототипе ионно-цинковой батареи, которая обладает высокой обратимостью, скоростью и емкостью без образования дендритов. [ 15 ] В устройстве использовался анод из металлического цинка, катод из оксида ванадия (Zn 0,25 V 2 O 5 ⋅nH 2 O) и водный электролит, все из нетоксичных материалов. После 1000 циклов он сохранил 80% своей мощности. Батарея достигла емкости до 300 мАч г. −1 и плотность энергии ~450 Втч л −1 .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Дешевый, долговечный и устойчивый аккумулятор для хранения энергии в сети | KurzweilAI» . www.kurzweilai.net . 16 сентября 2016 г. Проверено 2 февраля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д Ма, Лин; Шредер, Маршалл А.; Бородин Олег; Поллард, Трэвис П.; Дин, Майкл С.; Ван, Чуньшэн; Сюй, Кан (2020). «Реализация высокой обратимости цинка в аккумуляторных батареях» . Энергия природы . 5 (10): 743–749. Бибкод : 2020NatEn...5..743M . дои : 10.1038/s41560-020-0674-x . ISSN 2058-7546 . S2CID 221118342 .
- ^ США 20120034515 , Кан, Фейю; Сюй, Чэнджун и Ли, Баохуа, «Ионно-цинковая аккумуляторная батарея», опубликовано 9 февраля 2012 г.
- ^ Сюй, Чэнцзюнь; Ли, Баохуа; Ду, Хонда; Канг, Фейю (23 января 2012 г.). «Энергичная химия ионов цинка: ионно-цинковая аккумуляторная батарея». Angewandte Chemie, международное издание . 51 (4): 933–935. дои : 10.1002/anie.201106307 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 22170816 .
- ^ Кунду, Дипан; Ваджаргах, Шахрзад Хоссейни; Ван, Ливен; Адамс, Брайан; Прендергаст, Дэвид; Назар, Линда Ф. (18 апреля 2018 г.). «Водные и неводные Zn-ионные батареи: последствия штрафа за десольватацию на границе раздела» . Энергетика и экология . 11 (4): 881–892. дои : 10.1039/C8EE00378E . OSTI 1469689 – через pubs.rsc.org.
- ^ «Университет Ватерлоо Salient Energy» . ЦБК .
- ^ «Включите мощность: процветающая отрасль аккумуляторов в Галифаксе привлекает стартапы Онтарио» . Далхаузи Ньюс .
- ^ «Консультация заинтересованных сторон Партнерства по хранению энергии (ESP) 18 ноября 2020 г. | ESMAP» . esmap.org . Проверено 20 марта 2022 г.
- ^ "Дом" . Эос Энергетические Предприятия .
- ^ «1,5 ГВтч цинковых батарей «Сделано в Америке» присоединяются к сетям Техаса и Калифорнии от Eos Energy Storage» . Новости хранения энергии . 1 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Ма, Лин; Шредер, Маршалл А.; Поллард, Трэвис П.; Бородин Олег; Дин, Майкл С.; Сунь, Руимин; Цао, Луншэн; Хо, Джанет; Бейкер, Дэвид Р.; Ван, Чуньшэн; Сюй, Кан (2020). «Критические факторы, диктующие обратимость металлического цинкового анода» . Энергетические и экологические материалы . 3 (4): 516–521. дои : 10.1002/eem2.12077 . ISSN 2575-0356 .
- ^ Альфаруки, Мухаммад Х.; Мэтью, Винод; Гим, Джихён; Ким, Сонджин; Сон, Чинджу; Бабу, Джозеф П.; Чой, Сунь Х.; Ким, Джэкук (26 мая 2015 г.). «Электрохимически индуцированное структурное преобразование в катоде γ-MnO2 системы ионно-цинковых батарей большой емкости». Химия материалов . 27 (10): 3609–3620. дои : 10.1021/cm504717p . ISSN 0897-4756 .
- ^ Альфаруки, Мухаммад Хилми; Гим, Джихён; Ким, Сонджин; Сон, Чинджу; Фам, Дуонг Тунг; Джо, Чонгын; Сю, Чжилян; Мэтью, Винод; Ким, Джэкук (2015). «Слоистый наночешуйчатый катод δ-MnO 2 с высокой емкостью хранения цинка для экологически чистых аккумуляторов». Электрохимические коммуникации . 60 : 121–125. дои : 10.1016/j.elecom.2015.08.019 .
- ^ Троколи, Рафаэль; Ла Мантия, Фабио (01 февраля 2015 г.). «Водная ионно-цинковая батарея на основе гексацианоферрата меди». ChemSusChem . 8 (3): 481–485. дои : 10.1002/cssc.201403143 . ISSN 1864-564X . ПМИД 25510850 .
- ^ Кунду, Дипан; Адамс, Брайан Д.; Даффорт, Виктор; Ваджаргах, Шахрзад Хоссейни; Назар, Линда Ф. (октябрь 2016 г.). «Цинковая аккумуляторная батарея на водной основе высокой емкости и длительного срока службы с интеркаляционным катодом из оксида металла». Энергия природы . 1 (10): 16119. Бибкод : 2016NatEn...116119K . дои : 10.1038/nenergy.2016.119 . ОСТИ 1469690 . S2CID 99789580 .