Олово способно отдавать и принимать четыре электрона, превращаясь из растворённых ионов в металл и обратно. Однако в кислых оловянных батареях обычно используется только двухэлектронная реакция, и половина возможного заряда остаётся недоступной. Исследователи из Китая показали, что, изменив жидкость вокруг олова, можно задействовать эту дополнительную ёмкость.

В проточной батарее жидкие электролиты циркулируют через ячейки, где химические реакции запасают и отдают электрическую энергию. Чем больше полезного заряда в этих жидкостях, тем меньше объём, необходимый для хранения. Процесс четырёхэлектронной зарядки олова состоит из двух этапов: сначала растворённые ионы олова получают два электрона, затем ещё два и осаждаются металлом на электроде. Разряд идёт в обратном порядке.

Хотя ранее четырёхэлектронную химию олова демонстрировали в щелочных растворах, новая работа решает другую задачу - сделать первый этап легко обратимым в кислом электролите. Команда, включая Юэ Ао и Цунсинь Се из Даляньского института химической физики и Сяосяо Ван из Уханьского университета, выяснила, что трудность связана с ближайшим окружением олова.

Эксперименты и молекулярное моделирование показали, что хлорид-ионы сильно связываются вокруг растворённого олова. Чтобы электроны могли перейти, это окружение должно перестроиться, что требует энергии и замедляет реакцию. Замена на йодид облегчает перестройку из-за более слабых связей. Но раствор только с йодидом создаёт другое препятствие: соединение олова почти не растворяется, а жидкость с малым содержанием активного материала не может запасти много заряда, как бы гладко ни шла химия.

Исследователи нашли, что сочетание хлорида и йодида снимает это противоречие. Хлорид помогает удерживать много олова в растворе, а йодид создаёт окружение, облегчающее перенос электронов. Слишком большое количество йодида вызывало осаждение материала, поэтому важны были правильные пропорции.

В паре с бромидной химией на другой стороне батареи модифицированный электролит возвращал около 89% электрической энергии, поданной при зарядке. Сравнительная батарея на основе хлорида возвращала только 53% при той же испытанной плотности тока.

Отдельные эксперименты с более концентрированным составом достигли 205 ватт-часов на литр электролита со стороны олова. Затем исследователи собрали 20 ячеек в стек, выдающий примерно 800 ватт. Он прошёл более 260 циклов зарядки-разрядки за 1000 часов. "Эти результаты демонстрируют осуществимость и надёжность нашего нового оловянного анода", - пишут авторы.

Тем не менее испытания выявили проблему, которую предстоит решать в будущих исследованиях с более длительной работой. Йодид и ионы олова постепенно проникали через мембрану, разделяющую две стороны батареи. По мере исчезновения йодида из оловянного электролита новая реакция становилась менее обратимой, снижая эффективность. В некоторых тестах также падала ёмкость.

Оловянные отложения не показали явных острых ветвящихся наростов во время длительных испытаний - обнадёживающий признак для батареи, которая многократно осаждает и растворяет металл. Но сохранение состава жидкости остаётся ключевым. Дополнительный заряд зависит не только от выбора олова в качестве материала батареи: нужно поддерживать правильное химическое окружение вокруг него цикл за циклом.

Источник: Tech Xplore