По мере того, как мир строит все более крупные установки ветряных и солнечных электростанций, быстро растет потребность в экономичных крупномасштабных резервных системах для обеспечения энергией, когда солнце садится и воздух спокоен. Сегодняшние литий-ионные батареи все еще слишком дороги для большинства таких приложений, а другие варианты, такие как гидронасосы, требуют особой топографии, которая не всегда доступна.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран разработали новый тип батарей, полностью изготовленных из доступных и недорогих материалов, которые могут помочь заполнить этот пробел.
Новая архитектура батареи, в которой в качестве двух электродных материалов используются алюминий и сера, а между ними находится электролит из расплавленной соли, описана в журнале Nature в статье профессора Массачусетского технологического института Дональда Садовея вместе с 15 другими учеными из Массачусетского технологического института и Китая. Канада, Кентукки и Теннесси.
«Я хотел изобрести что-то, что было бы лучше, намного лучше, чем литий-ионные батареи для небольших стационарных аккумуляторов и, в конечном счете, для использования в автомобилях», — объясняет Садоуэй, почетный профессор химии материалов Джона Ф. Эллиотта.
Помимо дороговизны, литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся электролит, что делает их менее чем идеальными для транспортировки. Итак, Садоуэй начал изучать периодическую таблицу в поисках дешевых, распространенных на Земле металлов, которые могли бы заменить литий. По его словам, коммерчески доминирующий металл, железо, не имеет необходимых электрохимических свойств для эффективной батареи. Но вторым по распространенности металлом на рынке — и фактически самым распространенным металлом на Земле — является алюминий. «Итак, я сказал, что давайте просто сделаем из него подставку для книг. Она будет из алюминия», — говорит он.
Затем нужно было решить, с чем соединить алюминий для другого электрода и какой тип электролита поместить между ними для переноса ионов туда и обратно во время зарядки и разрядки. Самым дешевым из всех неметаллов является сера, поэтому она стала вторым электродным материалом. Что касается электролита, «мы не собирались использовать летучие легковоспламеняющиеся органические жидкости», которые иногда приводили к опасным пожарам в автомобилях и других применениях литий-ионных аккумуляторов ., — говорит Садовей. Они попробовали некоторые полимеры, но в итоге остановились на множестве расплавленных солей с относительно низкой температурой плавления — близкой к температуре кипения воды, в отличие от почти 1000 градусов по Фаренгейту для многих солей. «Как только вы достигаете температуры, близкой к температуре тела, становится практичным» производить батареи, не требующие специальной изоляции и антикоррозионных мер, — говорит он.
Три ингредиента, которые у них получились, дешевы и легкодоступны: алюминий, ничем не отличающийся от фольги в супермаркете; сера, которая часто является отходом таких процессов, как переработка нефти; и широкодоступные соли. «Ингредиенты дешевы, а вещь безопасна — она не может гореть», — говорит Садоуэй.
В своих экспериментах команда показала, что аккумуляторные элементы могут выдерживать сотни циклов при исключительно высоких скоростях зарядки, а прогнозируемая стоимость одного элемента составляет примерно одну шестую стоимости сопоставимых литий-ионных элементов. Они показали, что скорость зарядки сильно зависит от рабочей температуры: при 110 градусах Цельсия (230 градусов по Фаренгейту) скорость зарядки в 25 раз выше, чем при 25 градусах Цельсия (77 градусов по Фаренгейту).
Удивительно, но расплавленная соль, выбранная командой в качестве электролита просто из-за ее низкой температуры плавления, оказалась случайным преимуществом. Одной из самых больших проблем с надежностью батареи является образование дендритов, которые представляют собой узкие металлические шипы, которые накапливаются на одном электроде и в конечном итоге перерастают в контакт с другим электродом, вызывая короткое замыкание и снижая эффективность. Но эта конкретная соль, оказывается, очень хорошо предотвращает эту неисправность.
Хлороалюминатная соль, которую они выбрали, «по существу избавила от этих неконтролируемых дендритов, а также обеспечила очень быструю зарядку», — говорит Садоуэй. «Мы проводили эксперименты с очень высокой скоростью зарядки, заряжаясь менее чем за минуту, и никогда не теряли элементы из-за короткого замыкания дендритов».
«Это забавно», — говорит он, потому что все внимание было сосредоточено на поиске соли с самой низкой температурой плавления, но катенированные хлоралюминаты, которые они получили, оказались устойчивыми к проблеме короткого замыкания. «Если бы мы начали с попытки предотвратить укорочение дендритов, я не уверен, что знал бы, как этого добиться», — говорит Садоуэй. «Думаю, это была счастливая случайность для нас».
Более того, батарея не требует внешнего источника тепла для поддержания рабочей температуры. Тепло естественно вырабатывается электрохимическим путем при зарядке и разрядке батареи. «Когда вы заряжаете, вы выделяете тепло, и это предотвращает замерзание соли. А затем, когда вы разряжаете, она также выделяет тепло», — говорит Садоуэй. Например, в типичной установке, используемой для выравнивания нагрузки на объекте солнечной генерации, «вы будете хранить электроэнергию, когда светит солнце, а затем получать электроэнергию после наступления темноты, и вы будете делать это каждый день. И этого заряда-холостого хода-разряда-холостого хода достаточно, чтобы вырабатывать достаточно тепла, чтобы поддерживать температуру».
По его словам, эта новая формула батареи была бы идеальной для установок, размер которых необходим для питания одного дома или малого и среднего бизнеса, производя порядка нескольких десятков киловатт-часов емкости.
Для более крупных установок мощностью от десятков до сотен мегаватт-часов могут оказаться более эффективными другие технологии, в том числе жидкометаллические батареи, разработанные Садоуэем и его учениками несколько лет назад и ставшие основой для дочерней компании под названием Ambri, которая надеется поставить свою первую продукцию в течение следующего года. За это изобретение компания Sadoway недавно была удостоена награды European Inventor Award этого года.
Садоуэй говорит, что меньший размер алюминиево-серных батарей также сделает их практичными для использования, например, в зарядных станциях для электромобилей. Он указывает, что, когда электромобили станут настолько распространены на дорогах, что несколько автомобилей будут заряжаться одновременно, как это происходит сегодня с бензиновыми топливными насосами, «если вы попытаетесь сделать это с батареями и захотите быстрой зарядки, сила тока будет просто настолько высока, что у нас нет такой силы тока в линии, которая питает объект». Таким образом, наличие такой аккумуляторной системы для хранения энергии, а затем ее быстрого высвобождения, когда это необходимо, может устранить необходимость в установке новых дорогих линий электропередач для обслуживания этих зарядных устройств.
Новая технология уже является основой для новой дочерней компании под названием Avanti, которая лицензировала патенты на систему, соучредителями которой являются Садовей и Луис Ортис ’96 ScD ’00, который также был соучредителем Ambri. «Первая задача для компании — продемонстрировать, что она работает в масштабе», — говорит Садоуэй, а затем подвергнуть ее серии стресс-тестов, включая сотни циклов зарядки.
Будет ли батарея на основе серы создавать неприятные запахи, характерные для некоторых форм серы? Ни единого шанса, говорит Садоуэй. «Запах тухлых яиц в газе, сероводород. Это элементарная сера, и она будет заключена внутри клеток». Если бы вы попытались открыть литий-ионный аккумулятор на своей кухне, говорит он (и, пожалуйста, не пытайтесь делать это дома!), «влага в воздухе отреагировала бы, и вы начали бы производить всевозможные неприятные запахи». газы тоже. Это законные вопросы, но батарея герметична, это не открытый сосуд. Так что я бы не беспокоился об этом».
В исследовательскую группу входили представители Пекинского университета, Юньнаньского университета и Уханьского технологического университета в Китае; Университет Луисвилля в Кентукки; Университет Ватерлоо в Канаде; Окриджская национальная лаборатория в Теннесси; и Массачусетский технологический институт.
