Конструкция проточных батарей нового поколения бьет рекорды

Исследовательская группа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики сообщает, что проточная батарея, конструкция которой оптимизирована для хранения энергии в электрической сети, сохраняла свою способность хранить и выделять энергию в течение более года непрерывной зарядки и разрядки.

Исследование, только что опубликованное в журнале Джоуль, подробно рассказывает о первом использовании растворенного простого сахара под названием β-циклодекстрин, производного крахмала, для увеличения срока службы и емкости аккумулятора. В серии экспериментов ученые оптимизировали соотношение химикатов в системе до тех пор, пока пиковая мощность не увеличилась на 60 процентов. Затем они заряжали батарею снова и снова в течение более года, остановив эксперимент только тогда, когда пластиковая трубка вышла из строя. За все это время проточная батарея почти не потеряла активность для подзарядки. Это первый лабораторный эксперимент с проточной батареей, в котором сообщается о непрерывном использовании в течение более года с минимальной потерей емкости.

Добавка β-циклодекстрина также первой ускоряет электрохимическую реакцию, которая сохраняет, а затем высвобождает энергию проточной батареи в процессе, называемом гомогенным катализом. Это означает, что сахар выполняет свою работу, растворившись в растворе, а не в виде твердого вещества, нанесенного на поверхность.

«Это совершенно новый подход к разработке электролита для проточных аккумуляторов», — сказал Вэй Ван, давний исследователь аккумуляторов PNNL и главный исследователь исследования. «Мы показали, что можно использовать совершенно другой тип катализатора, предназначенный для ускорения преобразования энергии. Кроме того, поскольку он растворяется в жидком электролите, это исключает возможность смещения твердого вещества и загрязнения системы».

Что такое проточная батарея?

Как следует из названия, проточные батареи состоят из двух камер, каждая из которых заполнена разной жидкостью. Батареи заряжаются посредством электрохимической реакции и сохраняют энергию в химических связях. При подключении к внешней цепи они выделяют энергию, которая может питать электрические устройства. Проточные батареи отличаются от твердотельных аккумуляторов тем, что они имеют два внешних резервуара с жидкостью, постоянно циркулирующей в них для подачи электролита, который является своего рода «кровоснабжением» системы. Чем больше резервуар для подачи электролита, тем больше энергии может хранить проточная батарея.

Если их масштабировать до размеров футбольного поля или больше, проточные батареи могут служить резервными генераторами для электросети. Проточные батареи являются одним из ключевых столпов стратегии декарбонизации для хранения энергии из возобновляемых источников энергии. Их преимущество в том, что их можно построить в любом масштабе: от масштаба лабораторного стола, как в исследовании PNNL, до размера городского квартала.

Зачем нам нужны новые виды проточных батарей?

Крупномасштабное хранение энергии обеспечивает своего рода страховку от сбоев в работе нашей электросети. Когда суровые погодные условия или высокий спрос мешают поставлять электроэнергию в дома и на предприятия, энергия, хранящаяся в крупных проточных аккумуляторных установках, может помочь свести к минимуму сбои в работе или восстановить работу. Ожидается, что потребность в этих установках с проточными батареями будет только расти, поскольку производство электроэнергии все чаще происходит из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и гидроэлектроэнергия. Такие источники прерывистого питания, как эти, требуют места для хранения энергии до тех пор, пока она не понадобится для удовлетворения потребительского спроса.

Несмотря на то, что существует множество конструкций проточных батарей и некоторые коммерческие установки, существующие коммерческие предприятия полагаются на добытые минералы, такие как ванадий, которые являются дорогостоящими и труднодоступными. Вот почему исследовательские группы ищут эффективные альтернативные технологии, в которых используются более распространенные материалы, которые легко синтезируются, стабильны и нетоксичны.

«Мы не всегда можем раскапывать Землю в поисках новых материалов», — сказал Имре Гюк, директор по исследованиям в области хранения энергии в Управлении электричества Министерства энергетики. «Нам необходимо разработать устойчивый подход к использованию химических веществ, которые мы можем синтезировать в больших количествах – точно так же, как в фармацевтической и пищевой промышленности».

Работа над проточными батареями является частью крупной программы PNNL по разработке и тестированию новых технологий сетевого хранения энергии, которая будет ускорена с открытием стартовой площадки Grid Storage Launchpad PNNL в 2024 году.

Безвредная «сахарная вода» подслащивает кастрюлю, создавая эффективную проточную батарею

В состав исследовательской группы PNNL, которая разработала эту новую конструкцию батареи, входят исследователи, имеющие опыт работы в области органического и химического синтеза. Эти навыки пригодились, когда команда решила работать с материалами, которые еще не использовались для исследования аккумуляторов, но уже производятся для других промышленных целей.

«Мы искали простой способ растворить больше флуоренола в нашем электролите на водной основе», — сказал Руочжу Фэн, первый автор нового исследования. «β-циклодекстрин помог в этом, хотя и скромно, но его реальным преимуществом была удивительная каталитическая способность».

Затем исследователи работали с соавтором Шэрон Хаммес-Шиффер из Йельского университета, ведущим специалистом в области химической реакции, лежащей в основе каталитического усиления, чтобы объяснить, как это работает.

Как описано в исследовании, сахарная добавка принимает положительно заряженные протоны, что помогает сбалансировать движение отрицательных электронов по мере разрядки аккумулятора. Детали немного сложнее, но это похоже на то, как будто сахар подслащивает кастрюлю, позволяя другим химическим веществам завершить свой химический танец.

Исследование представляет собой следующее поколение запатентованной PNNL конструкции проточной батареи, впервые описанной в журнале Science в 2021 году. Там исследователи показали, что другое распространенное химическое вещество, называемое флуореноном, является эффективным компонентом проточной батареи. Но этот первоначальный прорыв нуждался в улучшении, поскольку процесс был медленным по сравнению с коммерциализированной технологией проточных батарей. По словам исследователей, это новое достижение делает конструкцию батареи кандидатом на масштабирование.

В то же время исследовательская группа работает над дальнейшим улучшением системы, экспериментируя с другими соединениями, похожими на β-циклодекстрин, но меньшими по размеру. Как и мед, добавление β-циклодекстрина также делает жидкость более густой, что не идеально для проточной системы. Тем не менее, исследователи обнаружили, что его преимущества перевешивают недостатки.

Понимание сложных химических процессов, происходящих внутри конструкции новой проточной батареи, потребовало опыта многих ученых, в том числе Инь Чена, Синь Чжана, Пэйюаня Гао, Пин Чена, Себастьяна Мергельсберга, Лиронг Чжуна, Аарона Холласа, Янгана Лиана, Виджаякумара Муругесана, Цянь Хуана, Эрика. Уолтер и Юян Шао из PNNL, а также Бенджамин Дж. Руссо и Хаммес-Шиффер из Йельский университет, помимо Фэна и Ванга.