Проточна батарея з органічними компонентами

Науковці з Гарвардського університету (США) під керівництвом Майкла Азіза створили новий тип так званого проточного акумулятора з доволі дешевих матеріалів. Автори зазначають надзвичайну важливість свого винаходу для майбутнього «зеленої» енергетики. 

Проточні акумулятори відзначаються високою надійністю та довговічністю (понад 10 000 циклів) і, що надзвичайно важливо, вони дешевші за літій-іонні батареї у розрахунку на кіловат-годину накопиченої енергії. Найуспішнішим виявився ванадієвий редокс-акумулятор, принцип роботи якого базується на зміні ступеня окиснення ванадію в робочому розчині. Використовуються чотири стани окиснення: в акумуляторі є дві ємності з електролітом, насоси та основна камера, де дві рідини розділені спеціальною мембраною, що підтримує протонний обмін. У першій ємності містяться іони V⁵⁺, у другій — V²⁺. Під час роботи батареї, незалежно від того, заряджається вона чи розряджається, електроліти закачуються до центральної камери, запускаючи реакцію «зсуву» заряду іонів в один чи інший бік.

Фахівці зрозуміють, а для нефахівців пояснимо: у схемі використано порівняно невелику кількість ванадію, відсутній літій. Завдяки цьому вартість однієї кіловат-години ємності акумулятора може бути нижчою за 500 доларів. Саме ця межа вважається каменем спотикання для остаточної перемоги електромобілів в автомобільній індустрії. Ємність нового акумулятора становить 20–30 кВт·год на 1 кг ваги батареї. Це дещо менше, ніж у свинцевого акумулятора в автомобілі, і в рази менше, ніж у літій-іонної батареї ноутбука.

«Економіка має бути економною»

Однак для накопичення енергії, виробленої сонцем або вітром, цей показник не настільки важливий, як співвідношення ємності батареї до долара. До того ж проточний акумулятор живе набагато довше за свого літій-іонного аналога. До речі, на острові Хоккайдо (Японія) вже розпочато будівництво першої великої накопичувальної станції на основі ванадієвих редокс-акумуляторів, ємність яких становить кілька мегават-годин.

На жаль, японців у цих починаннях підтримують небагато. Міністерство енергетики США підрахувало, що навіть найдоступніші модифікації ванадієвих акумуляторів коштують понад 350 доларів за 1 кВт·год електроенергії, а для повсюдного впровадження цієї технології ціна має бути нижчою за 100$. Удосконалення технології ванадієвих батарей особливо не допоможе: лише сам ванадій обійдеться приблизно в 81$ за кВт·год.

Саме з цієї причини команда Майкла Азіза вирішила замінити ванадій на хінони — особливі органічні сполуки, відповідальні за перенесення електронів і протонів у процесі дихання у тварин і рослин. Першу ємність нової батареї науковці наповнили водним розчином хінону, другу — рідким бромом. Під час роботи акумулятора молекула хінону віддає через мембрану пару протонів, а ще два електрони — через окремий ланцюг. Таким чином у ємності з бромом з однієї його молекули утворюються дві молекули бромистоводневої кислоти. Під час зарядки на бромистоводневу кислоту подаються електрони, а протони повертаються до хінону.

Простими словами: якщо вам потрібно збільшити ємність літієвого акумулятора, знадобиться додаткова накопичувальна ємність і повний комплект супутньої електротехніки. У випадку з проточними батареями таких обмежень немає, тому вартість накопичення дуже великих обсягів енергії може бути цілком прийнятною. Особливо, якщо не потрібна велика пікова потужність, як у випадку зберігання енергії від сонячних панелей на даху.

Нова батарея здатна вночі постачати накопичену вдень сонячну енергію для одного домогосподарства вже при ємності у 2 тисячі літрів. Навіть попри великий об’єм, варіант значно вигідніший за літієві або свинцево-кислотні альтернативи.

Нова хінонова проточна батарея відрізняється від ванадієвої вартістю компонентів. На частку хінону припадає лише 27$ за кВт·год ємності акумулятора, що дозволить вкластися в рекомендовану межу 100$ за кВт·год, запропоновану Міністерством енергетики США, яке і стало спонсором досліджень.

Важливим моментом є також швидкість реакції з хіноном. Вона відбувається у тисячу разів швидше за аналогічні реакції з ванадієм. Нескладно здогадатися, що процес заряджання таких батарей буде набагато швидшим, а також забезпечуватиме вищу стабільність роботи такої електромережі. 

Наразі Майкл Азіз працює над тим, щоб повністю виключити отруйний бром з реакції. Його хочуть замінити ще однією різновидністю хінону, ймовірно, досліджуючи ті самі дихальні процеси у тварин, які не використовують для цих цілей бром.

Комерційний запуск технології можливий уже в недалекому майбутньому. Приватна компанія Sustainable Innovations, LLC має намір протягом трьох років представити демонстраційну модель такої батареї. Як перших споживачів компанія бачить домогосподарства та підприємців, які мають будівлі з сонячними батареями на дахах.