Исследователи разработали аккумуляторы с расплавляемой солью

Исследователи разработали аккумулятор, который работает по принципу «замораживание-оттаивание». Как сообщается, это может стать шагом в направлении выпуска аккумуляторов, работающих по сезонному принципу. Они могут накапливать энергию в одно время года и расходовать её в другое.

Директор по хранению энергии в Управлении электроэнергетики Министерства энергетики, которое финансировало работу, Имре Гюк, отметил, что технология накопления энергии с длительным сроком хранения важны для увеличения устойчивости энергосети при подключении большого объёма возобновляемой энергии. По его мнению, исследование является важным шагом в сторону решения проблемы сезонного хранения энергии в аккумуляторах.
 

Использование и реализация

Возобновляемые источники энергии работают в соответствии с природными циклами, что затрудняет их использование в качестве надёжного и постоянного потока электричества. Речь идёт о перебоях в выработке электричества на ветряных, солнечных и гидроэлектростанциях. Чтобы возобновляемые источники энергии обеспечивали потребителей стабильной электроэнергией, требуется накапливать и хранить её хотя бы на несколько дней.

Сетевые операторы хотели бы накапливать энергию, к примеру, весной, а затем высвобождать её в конце года, когда реки становятся мелководными, а ветры дуют слабее. Причём спрос на электроэнергию возрастает по сравнению с весной и достигает пика. В этом случае на помощь приходят аккумуляторы. Они позволяют коммунальным предприятием сглаживать перебои в подаче электроэнергии во время сезонных изменений или природных катаклизмов.

Один из авторов исследования, Миньюань Ли, сказал, что они использовали принцип похожий на выращивание растений в саду весной и летом. Излишки складывают в морозильную камеру, а затем их размораживают и едят поздней осенью и зимой. Такой же принцип они использовали при разработке прототипа аккумулятора. Сначала они заряжали его. При этом аккумулятор нагревают до температуры 180 градусов Цельсия. Ионы при этом проходят через жидкий электролит и создают химическую энергию. После этого аккумулятор охлаждался до комнатной температуры, сохраняя полученную энергию. Электролит становился твёрдым, а ионы, которые переносили энергию, оставались практически неподвижными. Когда требуется получить эту энергию обратно, аккумулятор снова нагревается и отдаёт накопленную энергию.

Явление «замерзания-оттаивания» в этом процессе стало возможным благодаря тому, что электролит аккумулятора является расплавленной солью (по молекулярному составу она похожа на обычную поваренную соль). Материал является твердым при комнатной температуре, но плавится при более высокой.

Концепция «замерзания-оттаивания» позволила учёным избежать известной проблемы саморазряда аккумулятора во время простоя. Примечательно, что аккумулятор «замораживания-оттаивания» PNNL сохранил 92% своей ёмкости в течение 12 недель. Говоря иными словами, здесь нет сильной деградации и потерь электроэнергии. Накопленный запас электричества здесь хорошо сохраняется, как еда в морозильной камере.

Обычные распространенные материалы

Команда учёных избегала использования дорогих редких и высокоэффективных материалов при создании прототипа аккумулятора. Катод и анод сделаны в виде сплошных пластин из никеля и алюминия. Они погружены в расплавленный солевой электролит, который при комнатной температуре находится в твёрдом состоянии. При нагревании он переходит в жидкую фазу. Для увеличения энергоёмкости аккумулятора в электролит учёные добавили такой распространенный элемент, как сера.

Одним из основных преимуществ полученного аккумулятора является состав компонента сепараторов между катодом и анодом. Для большинства высокотемпературных аккумуляторов с разбавленными солями требуется использование керамического сепаратора. Он довольно дорогой в производстве и может сломаться во время циклов отстаивания и затвердевания. Вместо него в полученном аккумуляторе PNNL было использовано простое стекловолокно. Это уменьшает затраты и делает аккумулятор более устойчивым к циклам оттаивания и затвердевания.

Руководитель исследовательской группы, Гуошэн Ли, отметил, что решающее значение в их исследовании играло снижение стоимости аккумулятора. Поэтому они использовали недорогие распространенные материалы, а также отказались от керамического сепаратора. Аккумулятор сохраняет энергию при стоимости материалов около 23$ за киловатт-час. Исследователи рассматривают возможность использования менее дорогого железа в этом аккумуляторе. Если это удастся сделать, то стоимость материалов опустится до 6 долларов за киловатт-час. Это в 15 раз ниже, чем стоимость материалов, используемых для производства современных литий-ионных аккумуляторов.

Учёные говорят, что теоретическая плотность аккумулятора составляет 260 ватт-часов на килограмм. Это больше, чем у современных проточных и свинцово-кислотных аккумуляторов. В исследовании отмечается, что аккумуляторы для сезонного хранения энергии будут заряжаться и разряжаться один или два раза в год. В отличие от аккумуляторов для электромобилей, ноутбуков, телефонов им не потребуется выдерживать тысячи циклов заряд-разряд. Компания Battelle, управляющая PNNL, подала заявку на патент на эту технологию.

Результаты проведённой работы были описаны в данной статье.