673886040@qq.com
Аккумуляторы чище и экологичнее — выходя за пределы возможностей хранения энергии
Благодаря буму возобновляемых источников энергии, в наши дни ограничивающим фактором энергетической революции является не столько энергоснабжение, сколько накопление энергии. Нужны более чистые и экологичные батареи, чтобы дольше заряжать наши автомобили, электровелосипеды и устройства.
Это ситуация, в которой все мы были. Вы заняты какой-то задачей, а прямоугольный значок в правом верхнем углу экрана становится красным и мигает, указывая на то, что батарея почти разряжена. Однако проблемы с батареями выходят далеко за рамки такого рода мелких неудобств. Батареи являются критически важным компонентом нашего будущего зеленой энергии, хотя и несовершенным.
Ожидается, что в будущем большая часть нашей энергии будет поступать из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер. Тем не менее, все мы знаем, что бывают времена, когда ветер не дует и солнце не светит. Чтобы сбалансировать поставку, нам нужно хранить избыточную электроэнергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками энергии, до тех пор, пока мы не будем готовы ее потреблять. Лучшие батареи — один из важных способов сделать это. Если мы хотим питать предполагаемый парк электромобилей и мобильных устройств, нам потребуется огромное количество аккумуляторов.
Большая постоянная проблема заключается в том, что даже у лучших аккумуляторов есть проблемы. Например, одним большим камнем преткновения в отношении литий-ионных элементов является то, что они используют литий в качестве ключевого компонента. Это добывается в виде соли. Поскольку в настоящее время Европа не имеет больших запасов, она зависит от импорта лишь из небольшого числа мест, таких как Австралия и Чили. Другие проблемы с литиевыми батареями заключаются в том, что они дороги, имеют ограниченную емкость и теряют производительность после многократной зарядки.
Если мы хотим улучшить их, нам нужно сначала понять, как они работают. Традиционные литий-ионные аккумуляторы состоят из трех ключевых компонентов. Есть два твердых компонента, называемых электродами — анод и катод, и жидкость, называемая электролитом. Когда батарея разряжается, электроны устремляются от анода к катоду, питая любое устройство, к которому она подключена. Положительные ионы лития диффундируют через электролит, притягиваясь к отрицательному заряду катода. Когда батарея заряжается, это происходит в обратном порядке.
Плотность энергии
Весь процесс представляет собой обратимую электрохимическую реакцию. Есть много вариантов этого основного процесса с различными видами химических веществ и ионов. Конкретный вариант, изучаемый проектом ASTRABAT, состоит в том, чтобы отказаться от жидкого электролита и вместо этого сделать его твердым или гелевым. Теоретически эти твердотельные батареи имеют более высокую плотность энергии, что означает, что они могут питать устройства дольше. Они также должны быть более безопасными и быстрыми в производстве, поскольку, в отличие от типичных литий-ионных аккумуляторов, в них не используется легковоспламеняющийся жидкий электролит.
Координатором проекта ASTRABAT является электрохимик д-р Софи Мэйли из Комиссии по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (CEA) в Гренобле, Франция. Она объясняет, что твердотельные батареи на основе лития уже существуют. Но в таких аккумуляторах в качестве электролита используется гель, и они хорошо работают только при температуре около 60°С, а это означает, что они непригодны для многих применений. «Очевидно, что нам нужно внедрять инновации в этой области, чтобы иметь возможность решать проблемы изменения климата», — сказал д-р Мэйли.
Она и ее команда партнеров работали над усовершенствованием рецепта лучшей твердотельной литиевой батареи. Работа включает в себя просмотр всех видов компонентов-кандидатов для батареи и определение того, какие из них лучше всего работают вместе. Доктор Мэйли говорит, что теперь они определили подходящие компоненты и разрабатывают способы расширения производства батарей.
Один вопрос, который она и ее команда планируют исследовать дальше, заключается в том, будет ли легче перерабатывать литий и другие элементы из твердотельных батарей по сравнению с типичными литий-ионными батареями. Если это так, это могло бы увеличить переработку лития и снизить зависимость от импорта.
По оценкам доктора Мэйли, если исследования пройдут успешно, твердотельные литиевые батареи, подобные той, над которой работает ASTRABAT, могут начать коммерческое использование в электромобилях примерно к 2030 году. «Я не знаю, не эти ли твердотельные батареи станет следующей важной инновацией в области батарей», — сказал доктор Мэйли. «Есть много других возможных решений, например, использование марганца или натрия (вместо лития). Это может сработать. Но нам нужно продолжать инвестировать в исследования, чтобы проверить батареи следующего поколения», — сказала она.
Положительно заряжен
Когда речь идет о хранении энергии для бесперебойной подачи в электрические сети, аккумуляторы должны быть надежными и большой емкости, а значит, дорогими. Дефицитный литий — не лучший выбор. Вместо этого проект HIGREEW исследует другой тип батареи, известный как проточная ячейка окислительно-восстановительного потенциала.
Основными компонентами проточных окислительно-восстановительных батарей являются две жидкости: одна положительно заряженная, а другая отрицательно заряженная. Когда батарея используется, они перекачиваются в камеру, известную как стопка элементов, где они разделены проницаемой мембраной и обмениваются электронами, создавая ток.
Координатором проекта является химик доктор Эдуардо Санчес из CIC energiGUNE, исследовательского центра недалеко от Бильбао в Испании. Он объясняет, что по всему миру уже эксплуатируется множество крупномасштабных проточных окислительно-восстановительных батарей, и они рассчитаны на стабильную работу около 20 лет. Но в этих существующих батареях используется ванадий, растворенный в серной кислоте, что является токсичным и вызывающим коррозию процессом. Требования безопасности означают, что эти батареи должны производиться с большими затратами.
«У ванадия много достоинств — он дешевый и стабильный», — сказал доктор Санчес. «Но если у вас есть утечка из одной из этих батарей, это нехорошо. Вы должны спроектировать резервуары так, чтобы они были чрезвычайно прочными».
Менее токсичен
В рамках проекта HIGREEW планируется создать проточную батарею с окислительно-восстановительным потенциалом, в которой будут использоваться гораздо менее токсичные материалы, такие как растворы солей в воде, в которых хранятся ионы на основе углерода. Санчес и его команда коллег работали над наилучшей рецептурой этой батареи, проверяя множество различных комбинаций солей и химических растворов. Теперь они составили список из нескольких прототипов, которые хорошо работают, и работают над их масштабированием.
Работа над одним огромным прототипом батареи продолжается в центре CIC energiGUNE. «Мы должны гарантировать, что они сохранят свою высокую производительность в масштабе», — сказал доктор Санчес.
Его команда также исследовала метод погружения имеющихся в продаже материалов для аккумуляторных мембран, чтобы химически изменить их и продлить срок службы.
Доктор Санчес видит светлое будущее для проточных окислительно-восстановительных батарей. «Я бы сказал, что у нас здесь, в Европе, расцвет, и многие компании работают над проточными батареями». Он предсказывает, что производство проточных окислительно-восстановительных батарей может создать в Европе широкие возможности для трудоустройства в ближайшие годы.
Исследование в этой статье финансировалось ЕС.
Эта статья была первоначально опубликована в журнале Horizon, европейском журнале исследований и инноваций.
