Создан первый дешёвый аккумулятор для возобновляемой энергии

Солнечная энергия и энергия ветра — самые естественные источники энергии, необходимой человечеству. Но её необходимо научиться эффективно хранить, ведь сегодня её может быть с избытком, а на следующий день погода изменится, и солнца и ветра может уже не быть вовсе. Основная проблема используемых для этих целей аккумуляторов — их высокая стоимость. Материалы, из которых они изготавливаются трудно назвать бюджетными.

"Теперь у нас появился отличный шанс избавиться от этой проблемы. Мы создали проточную батарею, которая может запасти много энергии на единицу веса и состоит исключительно из бюджетный материалов", — говорит Майкл Азиз (Michael Aziz), материаловед из Гарвардского университета.

В проточных батареях химические растворы из двух отдельных резервуаров направляются в камеру с двумя электродами, разделённую мембраной. В камере происходит химическая реакция между веществами, при этом они через мембрану обмениваются протонами и положительно заряженными ионами. Образующиеся в ходе реакции электроны двигаются по цепи, соединяющей два электрода, при этом происходит разряд аккумулятора. Обратная последовательность действий приводит к перезарядке батареи.

Основное преимущество таких аккумуляторов состоит в том, что необходимые реагенты могут храниться за пределами конструкции самой батареи, а значит, увеличить мощность можно всего лишь расширив резервуар. Это удобно, если речь идёт о хранении больших запасов энергии.

Что касается самих химикатов, то большинство моделей проточных батарей работает благодаря ионам ванадия, а этот элемент является крайне дорогостоящим.

"В последние несколько лет мы с коллегами занимались поиском альтернативы ванадию. И пришли к органической химии", — рассказывает Азиз.

Анод новой батареи использует раствор серной кислоты, содержащий особые органические соединения хиноны. Это вещество является дешёвым материалом и к тому же при реакции с протонами образует более высокоэнергетическое соединение гидрохинон, благодаря чему батарея заряжается. На катоде аккумулятора происходит реакция брома и бромистоводородной кислоты.

Реакция хинон-гидрохинон протекает в тысячу раз быстрее, чем реакции с использованием ионов ванадия, и батарея приобретает способность быстро заряжаться и разряжаться. Экспериментируя с частями, составляющими молекулы хинонов, химики добились тонкой настройки свойств получаемых аккумуляторов (например, выходного напряжения).

Прототип батареи, который Азиз и его коллеги подробно описывают в статье журнала Nature, совершил 100 циклов зарядки-разрядки без признаков деградации. Однако для коммерческого запуска модели потребуется доказать, что аккумулятор работает на протяжении как минимум 10 тысяч циклов.

По подсчётам Азиза, батарея сможет сохранить до одного киловатт-часа энергии при использовании материалов, стоимость которых составит всего $27 (около 800 рублей), что втрое дешевле ванадиевых конкурентов. При некоторых модификациях новое устройство сможет конкурировать и с другими технологиями хранения большого количества энергии, например, со сжатым воздухом.

Разработчики новинки поведали и о её существенных недостатках. Как признаётся Азиз в пресс-релизе, ахиллесовой пятой его новой батареи является бром и бромистоводородная кислота, которые могут вызвать коррозию, если вытекут на поверхность. В данный момент учёные подумывают поменять эти соединения на органику, например, на другие хиноны.

Агентство передовых исследований в области энергетики США (ARPA—E) уже заказало у учёных прототип батареи, попросив за три года "увеличить её размер до размеров лошадиного прицепа". А коммерциализацией уже существующей модели будет заниматься компания Sustainable Innovations of Glastonbury.