Группа ученых и инженеров из Гарварда продемонстрировала перезаряжаемую батарею, которая может сделать хранение электроэнергии от прерывистых источников энергии, таких как солнце и ветер, безопасным и рентабельным как для бытового, так и для коммерческого использования. Новое исследование основано на более ранней работе членов той же команды, которая может обеспечить более дешевое и надежное хранение электроэнергии на уровне сети.
Несоответствие между наличием прерывистого ветра или солнечного света и изменчивостью спроса является серьезным препятствием для получения большей части нашей электроэнергии из возобновляемых источников. Эта проблема может быть решена с помощью экономичных средств хранения больших объемов электроэнергии для доставки в течение длительных периодов времени, когда не дует ветер и не светит солнце.
При работе батареи электроны захватываются и высвобождаются соединениями, состоящими из недорогих, распространенных в земле элементов (углерод, кислород, азот, водород, железо и калий), растворенных в воде. Соединения нетоксичны, негорючи и широко доступны, что делает их более безопасными и дешевыми, чем другие аккумуляторные системы.
«Это химия, которую я был бы счастлив поместить в своем подвале», - говорит Майкл Дж. Азиз, профессор Джин и Трейси Сайкс в области материалов и энергетических технологий в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук им. Полсона (SEAS). и главный исследователь проекта. «Нетоксичность и дешевые материалы в изобилии, помещенные в водный раствор, означают, что он безопасен - он не может загореться - и это очень важно, когда вы храните большое количество электроэнергии где-то рядом с людьми."
Исследование опубликовано в статье, опубликованной в журнале Science.
Эта новая химия батареи была открыта научным сотрудником с докторской степенью Майклом Маршаком и аспирантом Кайсян Лин, работающими вместе с соавтором Роем Гордоном, профессором химии и материаловедения Томаса Дадли Кэбота в Гарварде.
«Мы объединили обычный органический краситель с недорогой пищевой добавкой, чтобы увеличить напряжение нашей батареи примерно на 50 процентов по сравнению с нашими предыдущими материалами», - говорит Гордон. Полученные результаты «позволяют получить первые высокоэффективные, негорючие, нетоксичные, некоррозионные и недорогие химикаты для проточных батарей».
В отличие от батарей с твердым электродом, проточные батареи хранят энергию в жидкостях, содержащихся во внешних резервуарах, подобно топливным элементам. Резервуары (определяющие энергоемкость), а также оборудование для электрохимического преобразования, через которое перекачиваются жидкости (устанавливающие пиковую мощность), могут иметь независимые размеры. Поскольку количество энергии, которое может быть сохранено, может быть произвольно увеличено за счет увеличения только размера резервуаров, большее количество энергии может быть сохранено с меньшими затратами, чем традиционные аккумуляторные системы.
Активными компонентами электролитов в большинстве конструкций проточных батарей являются ионы металлов, таких как ванадий, растворенный в кислоте. Металлы могут быть дорогими, вызывающими коррозию, сложными в обращении и кинетически медленными, что приводит к неэффективности. В прошлом году Азиз и его коллеги из Гарварда продемонстрировали проточную батарею, в которой металлы были заменены органическими (на основе углерода) молекулами, называемыми хинонами, которые являются распространенными естественными химическими веществами, которые являются неотъемлемой частью биологических процессов, таких как фотосинтез и клеточное дыхание. В то время как хиноны в водном растворе образовывали отрицательную сторону электролита батареи, положительная сторона основывалась на обычном бромсодержащем электролите, который используется в некоторых других батареях. Высокая производительность и низкая стоимость технологии, лицензию на которую Гарвард передал одной из европейских компаний, позволяют предоставлять коммунальным предприятиям масштабируемые решения для хранения данных на уровне сети.
Но токсичность и летучесть брома делают его наиболее подходящим для условий, в которых обученные специалисты могут безопасно работать с ним за надежным забором.
Поэтому команда начала искать новый рецепт, который обеспечил бы сопоставимые преимущества хранения - недорогой, долговечный, эффективный - с использованием химикатов, которые можно было бы безопасно использовать дома и на предприятиях. Их новая батарея, описанная в статье, опубликованной сегодня в журнале Science, заменяет бром нетоксичным и не вызывающим коррозию ионом, называемым ферроцианидом.
«Это звучит плохо, потому что в нем есть слово «цианид», - объясняет соавтор Маршак, который сейчас является доцентом кафедры химии в Колорадском университете в Боулдере. «Цианид убивает вас, потому что он очень прочно связывается с железом в вашем теле. В ферроцианиде он уже связан с железом, поэтому он безопасен. Фактически, ферроцианид обычно используется в качестве пищевой добавки, а также в качестве удобрения».
Поскольку ферроцианид хорошо растворяется и стабилен в щелочных, а не в кислых растворах, ученые из Гарварда соединили его с соединением хинона, которое растворимо и стабильно в щелочных условиях, в отличие от кислой среды их оригинальной батареи, разработанной в прошлом году..
Маршак сравнивает воздействие концентрированного щелочного раствора с контактом с поврежденной одноразовой батарейкой типа АА. «Это не то, чем хочется есть или плескаться, но в остальном это действительно не проблема».
Есть и другие преимущества использования щелочного раствора. Поскольку он не вызывает коррозии, компоненты системы проточных батарей могут быть изготовлены из более простых и гораздо менее дорогих материалов, таких как пластик.
«Проточные батареи первого поколения представляли собой одноэлементные пары - переходные металлы, такие как ванадий, железо или хром», - говорит Майкл Перри, руководитель проекта по электрохимическим системам в Исследовательском центре United Technologies, который не участвовал в работе. «Теперь мы видим возможность инженерных молекул, дающих нам свойства и атрибуты, которые мы хотим, в одной полной системе. Требуется и оправдана дополнительная работа, но команда Гарварда действительно демонстрирует перспективность химии следующего поколения."
Роберт Ф. Савинелл, почетный профессор университета и профессор инженерии Джорджа С. Дайвли в Университете Кейс Вестерн Резерв, еще один эксперт по аккумуляторным батареям, не участвовавший в исследовании Гарварда, согласен с тем, что новая технология предлагает значительные преимущества по сравнению с другими потоками. концепций батарей, включая «потенциально очень низкие затраты с использованием экологически чистых материалов, высокую эффективность при практической плотности мощности, а также безопасную и простую эксплуатацию». Он добавляет: «Следует ожидать, что этот подход к проточной батарее будет иметь короткий путь развития и масштабирования для быстрого коммерческого внедрения».
Управление по развитию технологий Гарварда тесно сотрудничало с исследовательской группой, чтобы ориентироваться в меняющихся сложностях рынка хранения энергии и строить отношения с компаниями, имеющими хорошие возможности для коммерциализации новых химических веществ.
Спрос на аккумуляторные батареи обусловлен не только экономическими, но и нормативными факторами. В некоторых штатах, а также во многих частях мира, если она не может быть мгновенно использована для удовлетворения спроса на электроэнергию, солнечная энергия, попадающая на солнечные панели, тратится впустую, если электричество не хранится. Однако во многих штатах потребители имеют право продавать электроэнергию, произведенную солнечными панелями на крыше, по высоким потребительским тарифам в соответствии со схемой регулирования, называемой нетто-счетчиком. В этих условиях у потребителей мало стимулов для установки батарей. Но эксперты рынка, такие как Уильям У. Хоган, профессор Раймонда Планка по глобальной энергетической политике в Гарвардской школе Кеннеди, считают, что такая политика в конечном итоге «неэкономична и неустойчива». И по мере того, как все больше и больше домовладельцев устанавливают солнечные батареи, коммунальные предприятия выступают против требований покупать электроэнергию у своих клиентов.
Хоган говорит, что чистые измерения являются одним из ряда «нормативных уловок, призванных сделать солнечную энергию более привлекательной», и предсказывает, что в конечном итоге потребители с фотоэлектрическими панелями на крыше потеряют возможность обменивать электроэнергию на скидки на свои счета за коммунальные услуги. Когда это происходит, у этих домовладельцев появляется стимул инвестировать в аккумуляторные батареи.
Это возможность на развивающемся рынке, которую предприниматель Tesla Motors Илон Маск надеется использовать с недавно анонсированной системой Powerwall своей компании. Но конструкция проточной батареи, разработанная Азизом и его коллегами из Гарварда, предлагает потенциальные преимущества в стоимости и продолжительности времени, в течение которого она может поддерживать пиковую мощность разряда по сравнению с литиевыми батареями..
«У этого есть потенциал, потому что фотогальваника развивается очень быстро», - говорит Азиз. «Облако накрывает вашу солнечную установку и БАМ - производство рушится. Затем облако уходит, и производство резко растет. Лучший способ справиться с этим - это аккумуляторы».
Смотрите видео: Как работает жидкое тесто -