Открыт новый класс батарей огромной емкости
Впервые расплавленный электролит, воздух как окислитель и способность к перезарядке удалось совместить в одном аккумуляторе.
Исследователи во главе со Стюартом Лихтом (Stuart Licht) из Университета Джорджа Вашингтона (США) объявили о создании нового типа батарей на расплавленном электролите, использующих в качестве материала катода кислород воздуха. На аноде такой схемы могут быть материалы, каждая молекула которых хранит сразу несколько электронов, а не один, как ион лития. Хотя в батарее есть и литий (его карбонат, в составе электролита).
Словосочетание «революционные параметры» — самое мягкое из того, что приходит на ум при взгляде на эти цифры. Но что из этого получится на практике?… (Здесь и ниже иллюстрации S. Licht et al.)
Испытывались три варианта расплавленных электролитов: на базе железа, углерода и диборида ванадия. Молекулы таких веществ могут хранить три электрона для железа, четыре для углерода и одиннадцать для диборида ванадия. Как легко догадаться, наибольшую плотность запасаемой энергии на единицу объёма дал именно последний, показав совершенно фантастические 27 000 Вт•ч на литр объёма, то есть, по сути, больше литра бензина, причём «в разы»! На килограмм массы, правда, всё получилось скромнее, всего 5 300 Вт•ч/кг. Но даже не столь высокие результаты углерода и железа всё равно впечатляют. На килограмм углеродный электролит выдал 8 900 Вт•ч (на литр — 19 000 Вт•ч), а на основе железа — 1 400 Вт•ч (на литр — 10 000 Вт•ч). ОК, скажете вы, а толку? Ведь расплавленный электролит нуждается в нагреве на 700–800 °C, иначе не сможет работать, да и все известные источники энергии на расплавленных солях, использующие воздух как катод, не могут перезаряжаться, то есть не очень пригодны для практичного хранения энергии.Держитесь крепче: г-н Лихт декларирует, что его батареи на расплаве солей впервые в мире способны к перезарядке! По его уверениям, после разряда железо восстанавливается из оксида до чистого при приложении тока, что означает повторную зарядку, с возвращением кислорода обратно в воздух.В работе, описывающей первые результаты экспериментов, мало деталей, на которые, по всей видимости, пока просто не хватило времени. Сколько циклов может выдержать такая батарея до значительного снижения ёмкости? Какие процессы деградации могут протекать в ней? Каковы потери при зарядке-разрядке, помимо затрат энергии на подогрев компонентов? Наконец, с какой скоростью новые типы батарей отдают и запасают энергию?…Как видим, пока речь идёт лишь об открытии принципиально нового класса накопителей энергии, и для понимания их перспектив надо точно представлять себе ответы на все эти вопросы. И тем не менее это прорывные показатели, значительно превосходящие литий-воздушные батареи за счёт возможности накапливать больше одного электрона на каждую молекулу металла. Сравнивать эти данные с нынешними литий-ионными решениями вообще невозможно: те имеют примерно 200 Вт•ч на килограмм, то есть в десятки раз меньше вышеприведённых показателей. По сути, ёмкость металло-воздушных аккумуляторов обозначенных типов даже выше, чем у бензина, а это огромное достижение для перезаряжаемых батарей.Важно и то, что материалы для новых батарей — кроме диборида ванадия — дёшевы, и конечный продукт должен быть много доступнее литиевых аккумуляторов, которые сегодня продаются в среднем по $500 за киловатт-час ёмкости. Очевидно, что хотя бы для хранения избытков энергии в общей энергосистеме такие батареи определённо могут иметь будущее. Там и высокая рабочая температура электролита не будет проблемой: при росте объёма накопителя расходы на теплоизоляцию каждого литра и его подогрев падают в геометрической прогрессии.
Элементы некоторых аккумуляторов из новооткрытого класса. Менее понятно, можно ли будет использовать их на транспорте, на что надеются сами разработчики. Даже несколько десятков килограммов жидкостей с температурой в 700–800 °C при аварии могут навредить и машине, и людям. Не похоже, чтобы слова «расплавленные металлы» и «внутренности автомобиля после аварии» легко и гармонично сочетались между собой.Впрочем, исследователи нацелены на снижение температуры электролита и дальнейший рост эффективности новооткрытого класса батарей. Пожалуй, следить за успехами в этой области будет очень интересно.Отчёт об исследовании опубликован в журнале Energy & Environmental Science, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.Подготовлено: Александр Березин (Компьюлента) по материалам Phys.Org.
Изображение на заставке принадлежитShutterstock.
© Ноосфера
