باتری جدید هیدروژنی خودروهای برقی چین با چگالی انرژی ۲۸۲۵ وات ساعت بر کیلوگرم و بازده ۹۹.۷٪

مطالعه‌ای جدید از دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) می‌تواند پتانسیل ارتقاء ذخیره‌سازی انرژی شبکه‌های تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی را به سطح بی‌سابقه‌ای برساند. این مطالعه شامل نوع جدیدی از سیستم باتری شیمیایی است که از گاز هیدروژن به عنوان آند به جای مشتقات معمولی لیتیوم استفاده می‌کند. تیم تحقیقاتی نتایج خود را در Angewandte Chemie International Edition منتشر کرده است.

در سال‌های اخیر، هیدروژن (H2) به عنوان یک حامل انرژی تجدیدپذیر پایدار و مقرون‌به‌صرفه به دلیل خواص الکتروشیمیایی مطلوب خود توجه بیشتری جلب کرده است. با این حال، باتری‌های مبتنی بر هیدروژن کنونی عمدتاً از H2 به عنوان کاتد استفاده می‌کنند که محدوده ولتاژ آن‌ها را به ۰.۸–۱.۴ ولت محدود می‌کند و ظرفیت ذخیره انرژی آن‌ها را محدود می‌سازد. باتری‌ها تنها می‌توانند در محدوده ولتاژ محدودی عمل کنند که میزان انرژی ذخیره و انتقال‌یافته را محدود می‌کند.

تیم تحقیقاتی USTC روند نوآورانه‌ای را برای بهبود عملکرد باطری و غلبه بر این محدودیت در پیش گرفت. آن‌ها استفاده از H2 به عنوان آند را برای افزایش چگالی انرژی و ولتاژ کاری به‌طور معناداری پیشنهاد کردند.

تیم یک سیستم باتری نمونه اولیه با تنظیماتی مهندسی کردند که انتقال< a href="https://interestingengineering.com/energy/ut-dallas-battery-breakthrough" target="_blank" rel="dofollow">یون‌های لیتیوم را با کمترین تعاملات شیمیایی نامطلوب امکانپذیر می‌سازد. به عنوان باتری Li-H شناخته شد، این نمونه شامل یک آند فلز لیتیوم، لایه انتشار گاز پلاتین پوشیده به عنوان کاتد هیدروژنی و یک الکترولیت جامد (Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 یا LATP) است.

از طریق آزمون‌های دقیق، این مدل جدید چگالی انرژی نظری خارق‌العاده‌ای برابر ۲۸۲۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم و با ولتاژ عملیاتی پایدار در حدود سه ولت را به نمایش گذاشت. علاوه بر این، باتری نشان داد بازدهی دورگرد به شدت بالا (RTE: معیاری از انرژی ارائه شده در مقابل انرژی استفاده شده برای شارژ باتری) و به طور قابل توجهی ۹۹.۷٪، با کمترین اتلاف انرژی در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه، با پایداری عملیاتی طولانی‌مدت است.

برای این که این راه‌حل را اقتصادی‌تر و بی‌خطرتر کند و قابلیت تولید آن را افزایش دهد، تیم نسخه‌ای از باتری Li-H بدون آند توسعه دادند که نیاز به پیش نصب فلز لیتیوم را از بین می‌برد. بجای آن، باتری تسهیل رسوب لیتیوم منبع از نمک‌های لیتیوم (به ویژه LiH2PO4 و LiOH) را در طول چرخه شارژ فراهم می‌کند.

این نسخه جدید و بهبود یافته مزایای باتری Li-H را حفظ می‌کند و مزایای مضاعفی را فراهم می‌کند. شامل امکان‌پذیری‌ای کارآمدتر لایه‌بندی و رشته‌بندی لیتیوم همراه با بازدهی کلمبی (CE: نسبت بارهای ورودی و خروجی) عالی ۹۸.۵٪ است.

همچنین در غلیظت‌های پایین هیدروژن بهینه عمل می‌کند و نادیدنی برای ذخیره‌سازی H₂ در فشارهای بالا را کاهش می‌دهد. مدل‌سازی محاسباتی، مانند فرمی از نظریه عملکرد چگالی (DFT، مدل‌سازی مکانیکی کوانتومی محاسباتی) نیز برای به دست آوردن بینش در مورد چگونگی حرکت یون‌های لیتیوم و هیدروژن درون الکترولیت باتری انجام شد.

این گامی در نوآوری باتری Li-H فرصت‌های جدیدی برای راه‌حل‌های پیشرفته ذخیره‌سازی انرژی فراهم می‌کند و تیم تحقیقاتی USTC درهای جستجوهای آینده در زمینه فناوری باتری لیتیوم-هیدروژن را باز کرده است.

تأثیر این کشف می‌تواند عملکرد و بازدهی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، حمل و نقل الکترونیکی با برد طولانی و هوانوردی نسل بعدی را تغییر دهد. سیستم Li-H با تراکم انرژی و بازدهی بهبود یافته نسبت به باتری‌های نیکل-هیدروژن عادی، نامزدی قدرتمند برای سیستم‌های ذخیره نیروی نسل بعدی در دنیایی است که بیشتر و بیشتر به طرف کربن زدایی پیش می‌رود. نسخه بدون آند در ایجاد راهی به سمت باتری‌های مبتنی بر هیدروژن اقتصادی‌تر و قابل توسعه مؤثر عمل کرده است.