В начале 21 века возобновляемые источники энергии становятся всё более популярными. Но, к сожалению, солнце часто скрывается за тучами, а ветер стихает. Поэтому для глобального развития "зелёной" энергетики необходимо объединять различные виды электростанций с крупномасштабными системами хранения энергии. И сегодня главным сдерживающим фактором является высокая стоимость этих гигантских батарей.
Инженеры их Массачусетского технологического института MIT разработали "дышащую" батарею, которая хранит энергию так же эффективно, как традиционные аккумуляторы, но стоит в пять раз дешевле.
Новое устройство представляет собой проточную батарею, где в качестве компонентов катода и анода используются жидкие растворы (католит и анолит). Жидкости из двух резервуаров прокачиваются через электроды, после чего попадают в реакционную ячейку, отделённую мембранами, где происходит химическая реакция. При этом ионы перемещаются сквозь мембрану, а электроны либо отправляются во внешнюю цепь, либо возвращаются обратно при зарядке.
В качестве положительного анода (анолита) исследователи выбрали очень дешёвый водный раствор серы, и главная задача заключалась в поиске аналогичного по цене вещества для каталита.
Ещё несколько лет назад руководитель работы Е-Мин Чиан (Yet-Ming Chiang) обратил внимание на перманганат калия, который теоретически мог использоваться в катоде. Но на практике в ходе химической реакции при разрядке батареи количество этой соли сокращалось, и этот процесс невозможно было повернуть в обратную сторону. Однако учёный продолжал экспериментировать, пока совершенно неожиданно на катоде не пошла реакция без участия соли. Оказалось, что вместо перманганата калия в этот процесс был вовлечен содержавшийся в растворе кислород.
"Мы искали очень дешёвый положительный электрод, который можно использовать в сочетании с отрицательным электродом на основе серы, – рассказывает Чин. – Благодаря случайному лабораторному открытию мы выяснили, что на самом деле это может быть кислород а, следовательно, воздух. Нам нужно было добавить еще один компонент, который переносил бы заряд туда и обратно между серным и воздушным электродом, и на эту роль подошёл натрий".
Уникальная особенность батареи состоит в том, что она в буквальном смысле дышит атмосферным воздухом. Во время использования заряда воздух поступает внутрь, и раствор соли поглощает кислород. При этом создаются отрицательно заряженные гидроксильные ионы, которые заставляют электроны перетекать из анода во внешнюю сеть. Во время зарядки аккумулятор, наоборот, "выдыхает" кислород, а в батарее остаются положительно заряженные ионы водорода, которые направляют электроны обратно в анод.
"Эта батарея на самом деле вдыхает и выдыхает воздух, но, в отличие от нас, она выдыхает не углекислый газ, а кислород, – говорит Чин. – Принимая и выпуская кислород, в системе создаётся баланс заряда".
По сути, принцип работы новой батареи не сильно отличается от существующих литий-воздушных аккумуляторов, но, благодаря простым компонентам, изобретение команды MIT значительно дешевле. Это позволит значительно сократить расходы при создании мощных накопителей энергии. Как сообщается в пресс-релизе, плотность хранения энергии таких батарей будет сопоставима с литий-ионными элементами, а стоимость составит от $20 до $30 за киловатт-час (около 1100-1700 рублей). Сегодня создание мощных систем хранения энергии обходится приблизительно в $100 за киловатт-час (примерно 5700 рублей).
Созданный командой Чина прототип по размерам сопоставим с чашкой для кофе, а срок его работы составляет всего 1500 часов. Так что теперь исследователям предстоит масштабировать батарею и сделать её более долговечной. А результаты последнего исследования были опубликованы в журнале Joule.
Стоит отметить, что ранее учёные уже предлагали дешёвые альтернативы традиционным аккумуляторам, в которых использовали органические соединения хиноны или жидкий металл. Остаётся надеяться, что эти изобретения воплотятся в реальные проекты и энергетики смогут выбрать оптимальное бюджетное решение для "зелёных" электростанций будущего.
