Проточная батарея с органическими компонентами

Учёные из Гарвардского университета (США) во главе с Майклом Азизом создали новый тип так называемого проточного аккумулятора из довольно дешёвых материалов. Авторы отмечают чрезвычайную важность их разработки для будущего «зелёной» энергетики. 

Проточные аккумуляторы обладают высокой надёжностью и долговечностью (свыше 10 000 циклов) и, что крайне важно, они дешевле литий-ионных батарей в расчёте на киловатт-час запасённой энергии. Наиболее успешным оказался ванадиевый редокс-аккумулятор, принцип работы которого основан на смене степени окисления ванадия в рабочем растворе. Используемых состояний окисления четыре: в аккумуляторе есть 2 сосуда с электролитом, насосы и основная камера, где две жидкости разделены специальной мембраной, поддерживающей протонообмен. В первой ёмкости содержатся ионы V⁵⁺, во второй – V²⁺. Во время работы батареи, будь то разрядка или зарядка, электролиты закачиваются в центральную камеру, запуская реакцию по «сдвиганию» заряда ионов в ту или иную сторону.

Специалисты поймут, а для неспециалистов объясним: в схеме использовано сравнительно небольшое количество ванадия, отсутствует литий. Благодаря этому, стоимость одного киловатт-часа ёмкости аккумулятора может быть ниже 500 долларов. Именно эта планка считается камнем преткновения в окончательной победе электромобилей в автоиндустрии. Ёмкость  нового аккумулятора составляет 20-30 кВт/ч на 1 кг веса батареи. Это немного ниже, чем у свинцового аккумулятора в автомобиле и в разы меньше, чем у литий-ионной батареи ноутбука.

«Экономика должна быть экономной»

Однако для накопления энергии, выработанной солнцем или ветром, этот показатель не так важен, как ёмкость батареи по отношению к доллару.  К тому же, проточный аккумулятор живёт намного дольше своего литий-ионного собрата. Кстати, на острове Хоккайдо (Япония) уже началось строительство первой крупной накопительной станции на основе ванадиевых редокс-аккумуляторов ёмкость которых составляет несколько мегаватт-часов.

К сожалению, японцев мало кто поддерживает в этих начинаниях. Министерство энергетики США подсчитало, что даже наиболее доступные модификации ванадиевых аккумуляторов стоят более 350 долларов на 1 кВт/ч электроэнергии, а для повсеместного внедрения этой технологии цена должна быть ниже 100$. Совершенствование технологии ванадиевых батарей не особо поможет: только сам ванадий обойдётся примерно в 81$ на кВт/ч.

Именно по этой причине команда Майкла Азиза решила заменить ванадий на хиноны – особые органические соединения, ответственные за перенос электронов и протонов в процессе дыхания у животных и растений. Первую ёмкость новой батареи учёные наполнили водным раствором хинона, вторую – жидким бромом. Во время работы аккумулятора, молекула хинона отдаёт через мембрану пару протонов, а ещё 2 электрона – через отдельную цепь. Таким образом в ёмкости с бромом из одной его молекулы образуются 2 молекулы бромистого водорода. Во время зарядки, на бромистый водород подаются электроны, а протоны возвращаются к хинону.

Простым языком: если вам понадобится увеличить ёмкость литиевого аккумулятора, то понадобится дополнительная накопительная ёмкость и весь набор сопутствующей электротехники. В случае проточных батарей таких ограничений нет, поэтому стоимость накопления очень больших объёмов энергии может стать вполне умеренной. Особенно если не требуется большая пиковая мощность, как в случае хранения энергии от фотоэлементов на крыше.

Новая батарея способна ночью поставлять запасённую днём солнечную энергию для одного домовладения уже при ёмкости в 2 тысячи литров. Даже несмотря на большой объём, вариант намного предпочтительней, чем литиевые или свинцово-кислотные альтернативы.

Новая хиноновая проточная батарея отличается от ванадиевой ценой компонентов. На долю хинона приходится всего 27$ на кВт/ч ёмкости аккумулятора, что позволит поместиться в рекомендуемый предел 100$ на кВт/ч, предложенный Министерством энергетики США, которое и выступила спонсором исследований.

Важным моментом также является скорость реакции с хиноном. Она происходит в тысячу раз быстрее аналогичных реакций с ванадием. Несложно догадаться, что процесс зарядки таких батарей будет происходить намного быстрее, а также достигается большая стабильность работы такой электросети. 

В настоящее время Майкл Азиз работает над тем, чтобы полностью исключить ядовитый бром из реакции. Заменить его хотят на ещё одну разновидность хинона, видимо, исследуя всё те же дыхательные процессы у животных, которые не используют для этих целей бром.

Коммерческий запуск технологии возможен уже в обозримом будущем. Частная компания Sustainable Innovations, LLC намерена в течении трёх лет представить демонстрационную модель такой батареи. В качестве первых потребителей компания видит домовладельцев и бизнесменов, которые владеют зданиями с солнечными батареями на крышах.