Соль и батарея: разрушая пределы накопления энергии

Прочитано: 6175 раз(а)


Благодаря буму возобновляемых источников энергии ограничивающим фактором энергетической революции в наши дни является не столько энергоснабжение, сколько хранение энергии. Нужны более чистые и экологичные батареи, чтобы заряжать автомобили, электровелосипеды и устройства дольше.

В будущем большая часть нашей энергии будет поступать из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер. Но бывают моменты, когда не дует ветер и не светит солнце. Чтобы выровнять предложение, нам нужно хранить избыточную электроэнергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками энергии, до тех пор, пока мы не будем готовы ее потреблять. Одним из важных способов сделать это являются более качественные батареи. Нам также нужно огромное количество аккумуляторов, если мы хотим питать предполагаемый парк электромобилей и мобильных устройств.

Проблема в том, что даже у лучших аккумуляторов бывают проблемы. Один большой камень преткновения заключается в том, что литий-ионные элементы используют литий в качестве ключевого компонента. Это добывается в виде соли. Европа в настоящее время не имеет больших запасов, поэтому полагается на импорт из таких мест, как Австралия и Чили. Литиевые батареи также дороги, имеют ограниченную емкость и теряют производительность после многократной зарядки.

Традиционные литий-ионные аккумуляторы состоят из трех ключевых компонентов. Есть два твердых компонента, называемых электродами — анод и катод, и жидкость, называемая электролитом. Когда батарея разряжается, электроны устремляются от анода к катоду, питая любое устройство, к которому она подключена. Положительные ионы лития диффундируют через электролит, притягиваясь к отрицательному заряду катода. Когда батарея заряжается, это происходит в обратном порядке.

Плотность энергии

Весь процесс представляет собой обратимую электрохимическую реакцию. Есть много вариантов этого основного процесса с различными видами химических веществ и ионов. Конкретный вариант, изучаемый проектом ASTRABAT, состоит в том, чтобы отказаться от жидкого электролита и вместо этого сделать его твердым или гелевым. Теоретически эти твердотельные батареи имеют более высокую плотность энергии, что означает, что они могут питать устройства дольше. Они также должны быть более безопасными и быстрыми в производстве, поскольку, в отличие от типичных литий-ионных аккумуляторов, в них не используется легковоспламеняющийся жидкий электролит.

Координатором проекта ASTRABAT является электрохимик д-р Софи Мэйли из Комиссии по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (CEA) в Гренобле, Франция. Она объясняет, что твердотельные батареи на основе лития уже существуют. Но в таких аккумуляторах в качестве электролита используется гель, и они хорошо работают только при температуре около 60°С, а это означает, что они непригодны для многих применений. «Очевидно, что нам нужно внедрять инновации в этой области, чтобы иметь возможность решать проблемы изменения климата», — сказал д-р Мейли.

Она и ее команда партнеров работали над усовершенствованием рецепта лучшей твердотельной литиевой батареи. Работа включает в себя просмотр всех видов компонентов-кандидатов для батареи и определение того, какие из них лучше всего работают вместе. Доктор Мэйли говорит, что теперь они определили подходящие компоненты и разрабатывают способы расширения производства батарей.

Один вопрос, который она и ее команда планируют исследовать дальше, заключается в том, будет ли легче перерабатывать литий и другие элементы из твердотельных батарей по сравнению с типичными литий-ионными батареями. Если это так, это могло бы увеличить переработку лития и снизить зависимость от импорта.

По оценкам доктора Мэйли, если исследования пройдут успешно, твердотельные литиевые батареи , подобные той, над которой работает ASTRABAT, могут начать коммерческое использование в электромобилях примерно к 2030 году. станет следующей важной инновацией в области батарей», — сказал доктор Мэйли. «Есть много других возможных решений, таких как использование марганца или натрия (вместо лития). Это может сработать. Но нам нужно продолжать инвестировать в исследования, чтобы проверить батареи следующего поколения», — сказала она.

Положительно заряжен

Когда речь идет о накоплении энергии для бесперебойной подачи в электрические сети, аккумуляторы должны быть надежными и большой емкости, а значит, дорогими. Дефицитный литий — не лучший выбор. Вместо этого проект HIGREEW исследует другой тип батареи, известный как проточная ячейка окислительно-восстановительного потенциала.

Основными компонентами проточных окислительно-восстановительных батарей являются две жидкости: одна положительно заряженная, другая отрицательно заряженная. Когда батарея используется, они перекачиваются в камеру, известную как стопка элементов, где они разделены проницаемой мембраной и обмениваются электронами, создавая ток.

Координатором проекта является химик д-р Эдуардо Санчес из CIC energiGUNE, исследовательского центра недалеко от Бильбао в Испании. Он объясняет, что по всему миру уже эксплуатируется множество крупномасштабных проточных окислительно-восстановительных батарей, и они рассчитаны на стабильную работу около 20 лет. Но в этих существующих батареях используется ванадий, растворенный в серной кислоте, что является токсичным и вызывающим коррозию процессом. Требования безопасности означают, что эти батареи должны производиться с большими затратами.

«У ванадия много достоинств — он дешев и стабилен», — сказал доктор Санчес. «Но если у вас есть утечка из одной из этих батарей, это нехорошо. Вы должны спроектировать резервуары так, чтобы они были чрезвычайно прочными».

Менее токсичен

В рамках проекта HIGREEW планируется создать проточную батарею с окислительно-восстановительным потенциалом, в которой будут использоваться гораздо менее токсичные материалы, такие как растворы солей в воде, в которых хранятся ионы на основе углерода. Санчес и его команда коллег работали над наилучшей рецептурой этой батареи, проверяя множество различных комбинаций солей и химических растворов. Теперь они составили краткий список из нескольких прототипов, которые хорошо работают, и работают над их масштабированием.

Работа над одним огромным прототипом батареи продолжается в центре CIC energiGUNE. «Мы должны гарантировать, что они сохранят свою высокую производительность в масштабе», — сказал доктор Санчес.

Его команда также исследовала метод погружения имеющихся в продаже материалов для аккумуляторных мембран, чтобы химически изменить их и продлить срок службы.

Доктор Санчес видит светлое будущее для проточных окислительно-восстановительных батарей. «Я бы сказал, что у нас здесь, в Европе, расцвет, и многие компании работают над проточными батареями». Он предсказывает, что производство проточных окислительно-восстановительных батарей может создать в Европе широкие возможности для трудоустройства в ближайшие годы.

Соль и батарея: разрушая пределы накопления энергии



Новости партнеров