Исследователи MIT занимаются изучением полутвердых проточных аккумуляторов

Команда ученых из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что электрохимическая технология под названием «полутвердая проточная аккумуляторная батарея» может быть экономически целесообразной формой хранения энергии для переменных возобновляемых источников (VRE). К примеру, это ветряные и солнечные электростанции.

Исследователи создали аккумулятор из диоксида цинка и марганца (Zn-MnO₂). Продемонстрированные результаты показывают, что эта электрохимическая система превосходит других претендентов на роль аккумуляторов для долговременного хранения энергии. Руководитель исследовательской группы – Танир Малай Нараянан (Thaneer Malai Narayanan) сказал, что был проведён анализ того, как состав аккумулятора влияет на стоимость и производительность. По его словам, им удалось продемонстрировать возможность масштабирования данной системы и её экономическую выгоду по сравнению с другими технологиями.

Помимо Нараянана, в исследовании принимали участие Эмре Генчер (Emre Gencer), Юнгуанг Чжу (Yunguang Zhu), профессор Гарет МакКинли (Gareth McKinley), профессор Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn). Результаты своего исследования исследовательская группа собрала в статье, опубликованной в Joule.

В 2016 году Нараянан начал учёбу в аспирантуре и присоединился к лаборатории электрохимической энергии. Её специалисты занимаются исследованиями и поиском решений по смягчению последствий изменения климата. Одним из важнейших направлений работы является декарбонизация топлива и химикатов, а также инновационные разработки электрохимических систем для аккумуляторов. В том числе, они занимаются разработкой низкоуглеродных и безуглеродных резервных энергетических систем, подходящих для накопления энергии от источников VRE.

Лаборатория занималась исследованиями по преобразованию и хранению энергии с использованием твердооксидных топливных элементов, литий-ионных и металло-воздушных батарей. Нараянан проявил интерес к разработке проточных аккумуляторов. Это системы, в которых присутствуют два разных химических раствора с отрицательными и положительными ионами. Они перекачивается из отдельных резервуаров, соприкасаясь через мембрану, называемую стеком. Здесь происходит реакция потоков ионов и электрическая энергия превращается в химическую. Фактически, происходит процесс зарядки аккумулятора. Когда требуется получить накопленную энергию, раствор перекачивается обратно и происходит обратное преобразование химической энергии в электрическую.

Время, в течение которого проточные аккумуляторы могут разряжаться, высвобождая накопленную электрическую энергию, определяется объёмом положительно и отрицательно заряженных растворов (электролитов), протекающих через батарею. В теории, пока эти растворы продолжают течь и реагировать, такая система может отдавать электрический заряд. Нараянан говорит, что архитектура проточных батарей может быть наиболее дешёвым вариантом для накопления энергии на срок более суток. Этого вполне достаточно для источников солнечной и ветровой энергии.

На эту технологию учёные обратили внимание не меньше 10 лет назад. Однако при разработке подобных систем появились проблемы с неравномерной производительностью и высокой стоимостью материалов. Нараянан взялся выполнить задачу проектирования и создания проточной аккумуляторной батареи, которая могла бы обеспечить хранение энергии из систем VRE в течение суток и более. Перед исследователями также стояла задача провести тщательный анализ затрат, чтобы определить экономическую жизнеспособность разработки.

Для решения этой многосторонней задачи объединились специалисты по электрохимии, химической физике, разработке материалов, реологии и физике потока. В результате была создана новая архитектура батареи. Учёные спроектировали перенос заряда в текущих полутвердых электродах, после чего рассчитали технико-экономические характеристики таких аккумуляторов.

Среди конкурирующих систем специалисты называют проточные батареи с использованием окислительно-восстановительного потенциала ванадия. С их помощью можно организовать хранение энергии в мегаваттных и более мощных энергосистемах. Однако они зависят от дорогостоящих химических элементов. Поэтому Нараянан со своей группой искал более доступные по цене химические компоненты.

После серии стендовых экспериментов, учёные разработали новый электрод для аккумуляторной системы. Это смесь, содержащая частицы диоксида марганца (MnO₂), пропитанные электропроводящей добавкой – углеродной сажей. Данное соединение вступает в реакцию с проводящим раствором цинка или цинковой пластиной в батарее. В результате обеспечивается эффективное электрохимическое преобразование энергии. Свойства текучести этого аккумулятора далеки от водных растворов, которые используются в прочих проточных батареях. Исследователи говорят, что это полутвердый раствор или суспензия. По консистенции он похож на мягкое мороженое или густую краску. Технический углерод добавляет пигмент и электрическую проводимость. Чтобы добиться оптимальной электрохимической смеси, учёные несколько раз меняли формулу.

МакКинли отмечает, что растворы должны иметь возможность течь при разумном давлении, но  предел текучести должен быть небольшим, чтобы активные частицы MnO₂ не оседали на дно проточных резервуаров в периоды простоя системы. По его мнению, также необходимо разделить аккумуляторную / масляную прозрачную жидкую фазу и плотную пасту из частиц углерода и MnO₂.

Результаты экспериментов послужили основой для технико-экономического анализа. Нараянан и Генчер установили связь между составом аккумуляторной системы, производительностью и стоимостью, после чего провели расчёты эффективности и стоимости для проточной батареи Zn-MnO₂.

На заключительном этапе исследования учёные сравнили аккумулятор Zn-MnO₂ с рядом  подобных электрохимических и водородных систем. Для этого они изучили капитальные затраты на их функционирование в течение 8, 24 и 72 часов. Результаты оказались довольно неожиданными.

В условиях разряда аккумуляторов в более суток новые полутвердые проточные аккумуляторы оказались лучше литий-ионных аккумуляторов и проточных ванадиевых окислительно-восстановительных аккумуляторов. Они оказались эффективнее даже с учётом больших затрат на перекачку суспензии MnO₂ из резервуара в штабель. После этого Генчер сделал вывод, что аккумулятор является конкурентоспособным.

Генчер отмечает, что литий-ионные аккумуляторы отлично подходят для резервного копирования на срок до восьми часов и менее. Но для более длительного хранения энергии они слишком дороги. Водород является слишком дорогим, как для длительного, так и для краткосрочного хранения. Поэтому исследователи считают, что необходимо продолжать работу над проточной батареей Zn-MnO₂ и применение ей обязательно будет найдено.

На следующем этапе работ исследователи планируют построить реально работающий образец аккумуляторной системы, чтобы протестировать её в реальных условиях. Кроме того, это исследование открывает путь к изучению прочих химических соединений, которые могут использоваться в полутвердых проточных аккумуляторах.