Аккумуляторы на жидких электродах - Новые перспективы аккумуляторов

Попыткой решить проблемы традиционных аккумуляторов является разработка так называемых "поточных", или "проточных", батарей (flow battery). Принцип их работы основан на взаимодействии двух жидких "заряженных" электролитов, прогоняемых насосами через особую ячейку, где производится выработка электрического тока. Каждый электролит находится в своем баке, а при прохождении через ячейку они разделены мембраной-сепаратором, через которую проходят ионы, как и в обычном аккумуляторе. Поскольку эти электролиты играют роль положительного и отрицательного электродов, их часто так и называют -- "жидкие электроды".

Преимущество проточных аккумуляторов заключается в отделении веществ, отвечающих за хранение энергии (электролитов), от устройства, в котором вырабатывается ток. Сколько бы в аккумуляторе ни содержалось электролита, узел, связанный с генерированием тока, будет только один. Это существенно уменьшает и вес, и стоимость такой батареи. Теоретически такие проточные батареи могут запасать огромное количество энергии -- для этого надо просто увеличить емкость баков, в которых хранятся электролиты, до нужной величины. Очень важно, что перезарядка такого аккумулятора может осуществляться не только привычным подключением к источнику тока, но и простой заменой отработанного электролита на свежий. В этом случая перезарядка будет занимать несколько минут -- примерно столько же, сколько тратится на заправку автомобиля бензином.

Tesla Model S -- электромобиль класса "люкс" с огромным, по меркам автомобилей с электрическим приводом, пробегом: до 426 км

Проточные аккумуляторы надежны, живучи и долговечны (более 10000 циклов зарядки-разряда). Благодаря конструкции и применяемым материалам они значительно дешевле литий-ионных в расчете на киловатт-час запасаемой энергии. Кроме того, эти батареи безопаснее, чем обычные. Раздельное хранение активных веществ и единственный генерирующий модуль позволяют предотвратить короткие замыкания и перегрев, которые могут, в частности, приводить к возгоранию литий-ионных батарей.

До недавнего времени проточные аккумуляторы были малопригодны для использования на автомобилях. Даже самая успешная из подобных "батареек" -- ванадиевый редокс-аккумулятор (англ. redox от reduction-oxidation -- окисление-восстановление, т. е. отдача и получение электронов) -- имела при нужной емкости слишком большие размеры из-за использования разбавленных растворов электролитов. Дальше их ограниченного стационарного применения дело так и не шло. Да и стоимость ванадиевых батарей все же достаточно велика -- даже для самых дешевых свыше $300 на кВт*ч емкости накопителя, в то время как, по оценкам Минэнерго США, для широкого распространения аккумуляторов цена должна упасть примерно до $100 за кВт*ч. Однако стоимость только ванадия, используемого в системе, составляет порядка $80 на кВт*ч, так что ожидать подобного удешевления не стоит.

В прошлом году группа Майкла Азиза (Michael J. Aziz) из Гарвардского университета (США) сумела заменить ванадий на хиноны -- органические соединения, используемые в животном и растительном мире для переноса электронов и протонов в процессе дыхания. Их экспериментальный образец проточного аккумулятора содержит баки с водным раствором хинона и жидкого брома. При прохождении через генераторную ячейку каждая молекула хинона отдает по паре протонов и электронов, а из одной молекулы брома образуются две молекулы бромистого водорода. Для зарядки достаточно подвести к бромистому водороду электроны, и протоны от него переходят обратно к хинону. Сейчас Азиз работает над заменой вредного для человека брома на другую разновидность хинона (к тому же в случае утечки из аккумулятора бром может инициировать коррозионные процессы).

Хиноновая батарея получилась в десять раз меньше ванадиевой. Стоимость хинона всего $27 на 1 кВт*ч емкости накопителя (он почти идентичен хинону ревеня и распространен как в живой природе, так и в сырой нефти), поэтому можно ожидать, что при массовом производстве удастся уложиться в упомянутые $100 за 1 кВт*ч. Очень важно, что реакции в новом аккумуляторе протекают примерно в тысячу раз быстрее, чем в ванадиевом, что позволяет получать больший ток и заряжать такую батарею существенно быстрее.

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DAPRA) уже заказало прототип аккумулятора, дав ученым три года на доработку проекта.

В том же 2013 году исследователи Института окружающей среды, безопасности и энергетики (UMSICHT, Оберхаузен, Германия), входящего в Общество им. Фраунгофера, представили на Ганноверской выставке новый большой и эффективный проточный редокс-аккумулятор. Пакет размером в 0,5 м? давал мощность 25 кВт и ток до 500 А.

Робот Atlas, разработанный по заданию DARPA, нуждается в переходе от внешнего источника питания (сейчас к нему тянется силовой кабель) к автономному внутреннему. Возможно, вскоре такой источник появится: Агентство вкладывает средства в разработку инновационных аккумуляторов.

Однако эти две разработки больше ориентированы на применение в стационарных накопителях, поскольку для использования в автомобилях желательно добиться большей энергоемкости, чем это возможно на жидких электролитах. аккумулятор батарея электромобиль

Одно из решений проблемы было предложено в 2011 году учеными из Массачусетского технологического института (MIT, США), представляющими молодую фирму 24M Technologies (в 2010 году та выделилась из известной компании по производству литиевых аккумуляторов A123 Systems). В своих экспериментах они использовали суспензию -- смесь жидкого электролита с твердыми наночастицами LiCoO2 и углерода. Из-за последнего компонента активная жидкость выглядит черной. Свое изобретение они назвали "полутвердая проточная ячейка" (semi-solid flow cell, SSFC). Батарея SSFC, по мнению авторов, взяла лучшее от проточных батарей и от традиционных твердых аккумуляторов.

Схема аккумулятора SSFC и вид использованной суспензии (фото: статья Mihai Duduta, Yet-Ming Chiang et al, "Advanced Energy Materials")

Эксперименты показали, что генераторная ячейка SSFC работоспособна, а новая активная жидкость обладает достаточной текучестью. Частицы углерода, помимо транспорта электронов в растворе, стабилизируют в нем микрочастицы соединений лития, не давая им выпасть в осадок. И самое главное, оценки показывают, что после отработки технологии такой аккумулятор сможет вмещать на порядок больше энергии, чем прежние проточные. Стоимость опытных образцов на первом этапе составит $250 за кВт*ч, т. е. примерно в два раза дешевле существующих автомобильных аккумуляторов.

В феврале 2014 года появилась информация о разработке в Аргоннской национальной лаборатории и Иллинойском технологическом институте проточного аккумулятора, названного "перезаряжаемым топливом" (rechargeable fuel).

Работа финансируется Агентством по перспективным исследовательским проектам в энергетике (ARPA-E) . Авторы держат детали изобретения в тайне до оформления всех патентов, но известно, что они также использовали суспензию с наночастицами. Причем, по их словам, им удалось достигнуть значительной концентрации этих частиц, обеспечивающей высокую энергоемкость.

Несмотря на это, суспензия по-прежнему легко течет по трубкам благодаря особым свойствам частиц столь малых масштабов. Авторы также разработали новый способ получения электрического тока от частиц и надеются, что это позволит им увеличить проводимость. Оценки разработчиков показывают, что электромобиль с таким аккумулятором сможет проехать более 900 км.

Похожие статьи




Аккумуляторы на жидких электродах - Новые перспективы аккумуляторов

Предыдущая | Следующая