Ученые из Даляньского института химической физики (DICP) в Китае создали уникальный аккумулятор, способный одновременно запасать электричество и водород.
Ирина Медведева
Полностью твердотельная гидридно-ионная батарея. Источник: DICP
Прототип работает при комнатной температуре и обычном давлении, достигая впечатляющей эффективности — 93,9%. Это на треть выше, чем у традиционных методов теплового хранения водорода, как отметил исследователь Чэнь Пин в интервью People’s Daily Online. Устройство объединяет функции источника питания и топливного бака благодаря обратимой химической реакции.
Принцип действия основан на гидридных ионах
В основе батареи лежит использование гидридных ионов — атомов водорода с дополнительным электроном. Разработчики отказались от лития, сосредоточившись на магнии и газообразном водороде.
Команда DICP искала решение с 2018 года и в 2023-м создала материал, обеспечивающий стабильное движение гидридных ионов, которые обычно нестабильны при высокой энергоемкости. Теперь эта концепция воплощена в полностью твердотельной батарее, где в качестве электродов выступают металлический магний и газообразный водород.
При разрядке газообразный водород превращается в высокоэнергетические ионы гидрида, которые связываются с магнием, образуя стабильный твердый гидрид металла. Когда аккумулятор подключают к сети для зарядки, процесс идет в обратном направлении, и водород возвращается в газообразное состояние. Интересно, что устройство одновременно накапливает и электричество, и водород, не требуя опасных баллонов высокого давления — летучий газ переходит в твердую форму при обычной эксплуатации.
Испытания устройства
В лабораторных испытаниях прототип показал высокую надежность и удельную мощность, работая в широком диапазоне температур: от -20 до 90 градусов Цельсия. Его начальная разрядная емкость составила 1526 миллиампер-часов на грамм. После 60 циклов зарядки и разрядки батарея сохранила более 70% этой емкости, демонстрируя устойчивость.
Для проверки практической применимости ученые объединили 10 отдельных элементов в более крупный аккумулятор, который вырабатывал напряжение свыше 2,4 вольта и успешно питал светодиодную лампу.
Но это лишь первый шаг. Для коммерческого использования, особенно в транспорте, потребуются сотни и тысячи циклов без значительной деградации. Однако здесь важно подчеркнуть принципиальное преимущество: в отличие от литий-ионных аккумуляторов, где деградация вызвана необратимым ростом дендритов или разрушением кристаллической структуры катода, в гидридной системе износ может быть связан с постепенным изменением морфологии магниевого электрода.
Поскольку магний гораздо более распространён и дёшев, чем литий или кобальт, даже при умеренном сроке службы экономическая модель такой батареи может оказаться выигрышной. Ученым остаётся решить задачу циклической стабильности, и, судя по заявлениям, они уже на верном пути.
Отдельного внимания заслуживает широчайший рабочий температурный диапазон — от -20 до +90 °C. Большинство современных литиевых аккумуляторов резко теряют ёмкость на морозе, а при перегреве склонны к тепловому разгону и возгоранию.
Магний-гидридная система продемонстрировала работоспособность в условиях, близких к экстремальным: от сибирской зимы до пустынного лета. Это делает её идеальным кандидатом для применения в военной технике, полярных станциях, геологоразведочном оборудовании и, конечно, в космической отрасли, где перепады температур особенно велики. В сочетании с отсутствием взрывоопасных газов под давлением такая батарея может стать стандартом безопасности для автономных энергосистем.
Преимущества батареи как хранилища водорода
Традиционное хранение водорода требует энергоемкой инфраструктуры — резервуаров высокого давления или криогенного охлаждения. Новая батарея безопасна при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Она устраняет риски, связанные с хранением газа, химически связывая водород в твердый гидрид металла как при зарядке, так и при разрядке. Это исключает необходимость в дорогостоящем специализированном оборудовании, предлагая более простой и экономичный способ хранения чистой энергии.
Исследователи отметили, что такая система совместного хранения может найти широкое применение в мобильных и стационарных установках для утилизации водорода.
Это открытие знаменует собой принципиальный сдвиг в подходе к хранению возобновляемой энергии. До сих пор главным препятствием для широкого внедрения водородной энергетики оставалась именно логистика: водород чрезвычайно летуч, его молекулы настолько малы, что просачиваются через большинство материалов, а для его хранения в сжатом или сжиженном виде требуются либо массивные стальные баллоны, выдерживающие давление в сотни атмосфер, либо сложные криогенные системы, поддерживающие температуру ниже минус 253 градусов Цельсия. Всё это делает традиционное хранение дорогим, энергозатратным и потенциально опасным.
Твердотельная батарея DICP решает эту проблему радикально: вместо того чтобы удерживать газ физически, она переводит его в химически связанное состояние внутри кристаллической решётки металла. Это не просто контейнер, а активная система, где сам процесс запасания энергии интегрирован в химическую реакцию.
С точки зрения практической инженерии, гибридная природа устройства открывает двери для сценариев, которые ранее казались несовместимыми. Представьте себе электромобиль, который не только питает двигатель, но и одновременно служит резервуаром водорода для топливных элементов. Владелец такой машины смог бы заряжать её от розетки, как обычный электрокар, или, при необходимости, быстро заправлять водородом на станции — и оба способа вели бы к одному и тому же твёрдому гидриду в батарее.
Для стационарных систем, таких как солнечные или ветровые электростанции, это означает возможность сглаживать пики генерации без строительства отдельных газгольдеров. Избыточная энергия днём запасается в виде гидрида, а ночью или в безветрие — отдаётся обратно в сеть, причём с рекордным КПД.
Перспектива внедрения DICP
Наконец, если смотреть на перспективу, работа DICP вписывается в глобальный тренд по отказу от «долларовых» металлов вроде лития и кобальта. Китай, обладающий крупнейшими в мире запасами магния, получает не только технологическое, но и геополитическое преимущество.
Коммерциализация этой батареи способна перекроить рынки накопителей энергии, сделав водородную инфраструктуру более дешёвой и доступной. Уже сейчас понятно, что гибридный принцип «электричество + водород» может стать мостом между двумя доминирующими сегодня энергоносителями.
Если команде Чэнь Пина удастся вывести технологию на рыночный уровень в ближайшие пять-семь лет, мы станем свидетелями того, как «твердый водород» перестанет быть лабораторной диковинкой и начнёт питать города и автомобили по всему миру.
Сейчас группа сосредоточена на совершенствовании технологии для коммерческого и промышленного использования. Планируется улучшить общую производительность аккумулятора, повысить его долговечность и разработать качественные материалы для оптимизации накопления энергии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Joule.
Исследования, связанные с водородной энергетикой, сегодня идут в разных странах, демонстрируя актуальность этого направления. Профессор Юйлун Дин из США продемонстрировал термохимическое расщепление, при котором перовскитный катализатор расщепляет воду на водород и кислород при относительно низких температурах, обеспечивая значительный выход водорода.