Российские химики предложили новую конструкцию проточных редокс-батарей — накопителей электричества, которые планируют применять для долгосрочного хранения больших объемов энергии в узлах умных энергосетей. Описание разработки приведено в журнале ChemPlusChem.
Проточные батареи называют аккумуляторами будущего. В гальванических элементах этого типа электричество запасается в виде химической энергии растворов-электролитов.
В 2020 году в Китае планируют запустить самый большой в мире комплекс аккумуляторных батарей емкостью 800 мегаватт-час. Примерно столько энергии за год потребляет дом на 200 квартир. Состоять этот комплекс будет не из привычных литий-ионных или свинцово-кислотных аккумуляторов, а из проточных редокс-батарей.
Основные элементы этих батарей — две емкости, в которых хранятся электролиты, и мембранно-электродный блок (МЭБ) — в него растворы подаются насосами и там вступают в электрохимические реакции, обеспечивающие зарядку и разрядку аккумулятора.
За счет такой конструкции редокс-батареи в отличии от других накопителей энергии допускают независимое изменение мощности и емкости. Кроме того, они почти не разряжаются в режиме долгого простоя, а их электролиты не деградируют даже после десятков тысяч циклов работы.
Поэтому эти накопители считают очень перспективными для хранения большого количества электроэнергии в узлах распределенных электросетей. Например, они могут аккумулировать избытки электричества, произведенного солнечными батареями в светлое время суток, чтобы отдавать их ночью или в пасмурную погоду.
Российские ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН, ИФХЭ РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова предложили новую, более простую и дешевую, и при этом не менее эффективную конструкцию проточных батарей.
“Проточные батареи, с одной стороны, уже активно внедряют в энергосети Китая, Германии и других стран, а с другой стороны, их продолжают разрабатывать и дорабатывать в лабораториях”, — приводятся в пресс-релизе РХТУ слова одного из авторов работы, сотрудника ЦК НТИ ИПХФ РАН Дмитрия Конева. — Мы предложили совершенно новую конструкцию ячейки МЭБ, которая облегчит труд исследователя и сильно снизит порог входа новых научных групп в эту область. В перспективе это позволит добиться существенного прогресса и выведет распределенную энергетику из кулуарных решений на самый высокий уровень коммерциализации, в том числе и в России”.
Важная часть МЭБ — это пластины проточных полей, то есть слои сэндвича, по которым электролиты поступают к электродам, где окисляются или восстанавливаются. От того насколько хорошо организованы проточные поля, сильно зависят характеристики батареи: ее мощность и КПД. Поэтому исследователи часто подбирают разные типы полей, чтобы оптимизировать работу батарей, но это очень трудоемкая задача: проточные поля фрезеруют в твердых графитовых пластинках, что занимает много времени. Российские исследователи предложили другой подход.
“Мы формируем проточные поля с помощью нескольких тонких слоев углеродных материалов: в них лазером вырезаются нужные рисунки, а потом эти слои накладываются друг на друга, чтобы получилась требуемое поле — общую объемную картину, — рассказывает первый автор работы, сотрудник РХТУ Роман Пичугов. — Так процедура создания проточного поля занимает считанные минуты. Плюс используются более дешевые материалы, а в результате у исследователей получается даже больший простор для вариации и подбора проточных полей”.
Проточные батареи могут работать с разными электролитами. Самые распространенные — ванадиевые электролиты, то есть растворы солей ванадия. Именно на них испытали свою конструкцию ячейки российские ученые. Они перебирали различные типы проточных полей, а также варьировали скорость подачи электролита и получили результаты, которые по качеству не уступают лучшими мировыми аналогам, а по ряду параметров, например, мощности, даже превосходят их.
Сейчас ученые ведут разработку промышленного прототипа ванадиевой проточной батареи на основе предложенной идеи.
