Батареи с электролитом на основе марганца пользуются высоким спросом из-за безопасности, дешевизны и доступности этого материала. Однако в обычных аккумуляторах, работающих на окислительно-восстановительной реакции, растворимость веществ в электролите ограничена, что снижает объем запасаемой энергии.
Использование твердого диоксида марганца (MnO₂) могло бы решить эту проблему, позволив увеличить содержание активного вещества. Тем не менее, такие полутвердые проточные аккумуляторы, как правило, не способны заряжаться или разряжаться с желаемой скоростью из-за медленного протекания химических реакций. Это делает их непригодными для работы в режимах с высокими скоростями заряда и разряда.
Для того чтобы преодолеть оба этих недостатка, исследователи из Шанхайского университета добавили в электролит вместо раствора солей марганца твердый MnO₂. Это привело к небольшому изменению механизма электрохимической реакции. «В процессе разряда твердый диоксид марганца (MnO₂) электрохимически превращается в растворимые ионы Mn²⁺. Это позволяет задействовать больше активного материала, не ограничиваясь исходным пределом растворимости», — пояснили ученые.
В результате суспензия с концентрацией растворенного марганца 3,76 М увеличила емкость аккумулятора до 156,2 ампер-часа на литр — показатель, превышающий характеристики эталонного электролита на основе MnSO₄ на 409%.
Также были улучшены показатели работы этих новых аккумуляторных систем при более высоких плотностях тока. Согласно результатам исследования, при плотности тока 30 миллиампер на квадратный сантиметр и той же концентрации суспензии емкость аккумулятора сохранялась на уровне выше 151 А·ч/л. При такой плотности тока энергетический КПД превышал 71%.
По словам исследователей, такие рабочие плотности тока в 30 раз превышают показатели, о которых сообщалось ранее для полутвердых проточных окислительно-восстановительных аккумуляторов на основе MnO₂. Это доказывает, что высокое содержание активного материала не обязательно приводит к снижению скорости реакции, пишет IE.
В ходе лабораторных испытаний аккумулятор, в котором использовалась 1 М суспензия MnO₂, выдержал 100 циклов заряда-разряда; при этом кулоновский КПД составил около 99%, а энергетический КПД — 76%.
Компания LG совместно с Сеульским национальным университетом разработала экспериментальный литий-марганцевый аккумулятор, который после 883 циклов заряда-разряда сохранил 92,2% начальной емкости. Это заметный шаг вперед, хотя отраслевой стандарт для электромобилей требует выдерживать 1000–2000 циклов.
