Недостаток энергии обычно считается одной из основных экзистенциальных проблем нашей цивилизации, но на самом деле ее достаточно - только не там и тогда, когда она нужна, потому что мы не можем хранить ее эффективно. Хотя первые автомобили приводились в действие электричеством, а первым автомобилем, преодолевшим барьер скорости 100 км/ч в 1899 году, был электромобиль, прогресс в хранении электроэнергии затем надолго остановился.
Только недавно электромобили отметили свое возвращение, но они все еще не победили. Их литиевые батареи (литий-ионные) имеют относительно высокую плотность энергии и отсутствие эффекта памяти, но у них также есть существенные недостатки, о которых мало говорят.
Это, в частности, высокая стоимость, самопроизвольное старение, чувствительность к неправильной зарядке и разрядке, а также риск возгорания в кризисных ситуациях. То же самое, конечно, относится к стационарным литиевым батареям для компенсации колебаний в производстве альтернативных источников энергии.
Литий-ионные аккумуляторные батареи
Поэтому ученые работают над улучшением литиевых элементов (чаще всего путем экспериментов с составом и расположением электродов, использованием нанотехнологий и т.п.). Но пока в СМИ появляются сообщения о сенсационных успехах, ни одно такое решение еще не дошло до стадии коммерческого производства, а некоторые даже выглядят ловушкой для инвесторов.
Пока что литий-железо-фосфатные (LFP) элементы, которые Tesla хочет установить в новых моделях электромобилей, вероятно, наиболее близки к практическому применению. Хотя они не обладают лучшими рабочими параметрами, они дешевле и обходятся без экологически опасного кадмия.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи
Но даже если бы был создан более мощный и дешевый литиевый элемент, это не решило бы основную проблему лития: его ресурсы неравномерно распределены по планете, а добыча является энергоемкой, что в конечном итоге несколько обесценивает преимущества этих элементов.
Поэтому многие лаборатории по разработке сосредоточены на аккумуляторных батареях, которые обходятся без лития. Концепция сочетания серебра и цинка, которая имеет даже лучшие параметры, чем литий, но увеличивает цену, выглядит многообещающей.
Незарядная версия этих элементов в лунном модуле Apollo 13 спасла жизнь экипажа после взрыва кислородного бака, питающего топливные элементы в служебном модуле. Зарядные типы используются на подводных лодках.
Фактически, существует ряд комбинаций материалов, которые можно использовать для хранения электроэнергии, включая дешевое и общедоступное сырье.
Одна из перспективных технологий - так называемые проточные окислительно-восстановительные батареи (Redox Flow Battery, RFB), которые работают по принципу, аналогичному топливным элементам.
Название «окислительно-восстановительный потенциал» относится к реакциям химического восстановления и окисления, используемым в RFB для хранения энергии в растворах жидких электролитов, которые протекают через батарею электрохимических ячеек во время заряда и разряда.
Проще говоря, в то время как гальванические аккумуляторы накапливают энергию, изменяя состав электродов, RFB достигают этого, изменяя состав электролита.
Среда между катодом и анодом разделена полупроницаемой мембраной, аналогичной топливным элементам, система также содержит резервуары для хранения электролита и насос, обеспечивающий его движение вокруг электродов.
Поэтому элементы намного тяжелее и больше, поэтому они не подходят для электромобильности, но они могут найти применение на альтернативных электростанциях, предприятиях, домашних хозяйствах и т.п. Важно, чтобы они были изготовлены из общедоступных материалов, имели длительный срок службы и не допускали саморазряда.
Многие ученые и специалисты, занимающиеся новыми перспективными технологиями хранения энергии уделяют им особое внимание.
Redox Flow Battery
Разделение мощности и энергии - ключевое отличие RFB от других электрохимических систем хранения. Как описано выше, энергия системы накапливается в объеме электролита, который может легко и экономично находиться в диапазоне от киловатт-часов до десятков мегаватт-часов, в зависимости от размера резервуаров для хранения.
Мощность системы определяется размером пакета электрохимических ячеек. Количество электролита, протекающего в электрохимической батарее в любой момент, редко превышает несколько процентов от общего количества присутствующего электролита (для номинальных значений энергии, соответствующих разряду при номинальной мощности в течение от двух до восьми часов).
Поток можно легко остановить при возникновении неисправности. Как результат, уязвимость системы к неконтролируемому высвобождению энергии в случае RFB ограничена архитектурой системы до нескольких процентов от общей запасенной энергии.
Эта особенность контрастирует с пакетными интегрированными технологиями хранения энергии (свинцово-кислотная, NAS, литий-ионная), где вся энергия системы постоянно подключена и доступна для разряда.
Суперконденсаторы
Некоторые эксперты считают, что суперконденсаторы, которые работают исключительно по физическому принципу, могут стать реальным решением проблем хранения электроэнергии в будущем. По сути, это классический конденсатор, но с гораздо большей емкостью (порядка фарад), что дает ряд преимуществ.
Например, со временем зарядки проблем нет, ведь в них заряд можно просто «влить», как воду в стакан. По той же причине они могут выдерживать большие нагрузки, поэтому при необходимости обеспечивают отличную мгновенную производительность.
Они не разрушаются при глубоком разряде, как в случае со многими химическими элементами. Они не стареют и не разрушаются так быстро, как литий-ионные батареи.
Команда, работающая с Роландом Фишером, профессором неорганической и металлоорганической химии в Техническом университете Мюнхена (TUM), разработала высокоэффективный суперконденсатор.
В основе устройства накопления энергии лежит новый, мощный и устойчивый гибридный графеновый материал, характеристики которого сопоставимы с используемыми в настоящее время батареями.
Суперконденсатор с гибридным графеновым материалом
Гибрид графена, сделанный из металлоорганических каркасов (MOF) и графеновой кислоты, является отличным положительным электродом для суперконденсаторов, которые, таким образом, достигают плотности энергии, аналогичной плотности энергии никель-металлогидридных батарей.
В настоящее время суперконденсаторы используются в основном в качестве резервных источников или в качестве дополнения к литиевым элементам в электромобилях для получения мгновенной высокой мощности (ускорение и т. д.) вероятно, уже используется.
Однако ожидается, что развитие нанотехнологий, в частности графена, займет много времени. Но возможно, что придется заплатить огромные инвестиции в литиевую технологию, прежде чем суперконденсаторам будет разрешен зеленый свет.
Яков Кузнецов
