Исследователи Шанхайского университета разработали способ повысить ёмкость марганцевых проточных аккумуляторов. Вместо электролита на основе растворённого сульфата марганца (MnSO₄) они использовали полутвёрдую суспензию с частицами диоксида марганца (MnO₂). В лабораторных испытаниях такой подход позволил увеличить ёмкость системы на 409% относительно исходного варианта.
Марганец интересен в качестве альтернативы литию за счет низкой стоимости, доступности и сравнительной экологической безопасности. Однако традиционные системы на основе растворённых солей ограничены растворимостью активного вещества в электролите. Это не позволяет увеличить количество марганца, участвующего в реакциях, и, соответственно, повысить запасаемую энергию.
Использование твёрдого MnO₂ помогает увеличить содержание активного материала, но у таких полутвёрдых проточных батарей есть другая проблема: химические реакции протекают относительно медленно. Из-за этого аккумуляторы хуже работают при высоких скоростях заряда и разряда.
Новый подход должен решить обе задачи. Учёные добавили твёрдый диоксид марганца непосредственно в электролит, немного изменив механизм электрохимических реакций. Во время разряда MnO₂ превращается в растворимые ионы марганца Mn²⁺. Благодаря этому аккумулятор получает доступ к дополнительному активному материалу, не ограничиваясь исходной растворимостью марганцевых солей.
При концентрации MnO₂ в суспензии 4 моль/л исследователи добились концентрации растворённого марганца 3,76 моль/л. Объёмная ёмкость системы достигла 156,2 А·ч/л — на 409% больше, чем у использованного для сравнения электролита на основе MnSO₄.
Аккумулятор сохранил высокую производительность и при плотности тока 30 мА/см²: ёмкость оставалась выше 151 А·ч/л, а энергетическая эффективность превышала 71%. По данным исследователей, это в 30 раз выше плотности тока, ранее демонстрировавшейся для полутвёрдых проточных батарей на основе MnO₂. Таким образом, увеличение содержания активного вещества не обязательно приводит к замедлению электрохимических реакций.
Учёные также выяснили, что во время зарядки диоксид марганца переходит в более реакционноспособную форму. Это ускоряет процессы, необходимые для накопления и отдачи энергии, и помогает сохранять производительность при высоких токах.
В испытаниях с суспензией концентрацией 1 моль/л аккумулятор выдержал 100 циклов заряда и разряда. Кулоновская эффективность составила около 99%, а энергетическая — 76%. Впрочем, технология пока требует доработки: исследователям предстоит уменьшить потери ёмкости, связанные с переносом марганца между частями системы и накоплением частиц.
