Проточные редокс-батареи — это накопители электричества, перспективные для долгосрочного хранения больших объёмов энергии в узлах умных энергосетей. Такие устройства уже используют в Китае, Германии и других странах, а параллельно в лабораториях активно разрабатывают новые типы проточных батарей и оптимизируют уже существующие. Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН и других институтов предложили новую конструкцию проточных батарей, которая упростит и удешевит исследования и поможет полностью раскрыть потенциал новой технологии. Статья исследователей в журнале ChemPlusChem, а сейчас они ведут разработку промышленного прототипа ванадиевой проточной батареи на основе предложенной идеи.
В 2020 году в Китае планируют запустить самый большой комплекс аккумуляторных батарей в мире с емкостью 800 МВт-ч (примерно столько энергии за год потребляет дом на 200 квартир). Но в основе этого комплекса не привычные литий-ионные или, например, свинцово-кислотные аккумуляторы, а проточные редокс-батареи, в которых электричество запасается в виде химической энергии растворов — электролитов. Они состоят из двух ёмкостей, в которых хранятся электролиты и мембранно-электродного блока (МЭБ) — в него растворы подаются насосами и там вступают в электрохимические реакции, обеспечивающие зарядку и разрядку аккумулятора.
За счёт такой конструкции редокс-батареи в отличии от многих других накопителей энергии допускают независимое изменение мощности (определяется размерами МЭБ) и ёмкости (определяется составом электролитов и объемом их емкостей). Кроме того, они почти не разряжаются в режиме долгого простоя, а их электролиты не деградируют даже после десятков тысяч циклов работы, и поэтому эти накопители считают очень перспективными для хранения большого количества электроэнергии в узлах распределенных электросетей. Например, они могут аккумулировать избытки электричества, произведенного солнечными батареями в светлое время суток, чтобы отдавать их ночью или в пасмурную погоду.
«Проточные батареи с одной стороны уже активно внедряют в энергосети Китая, Германии и других стран, а с другой стороны их продолжают разрабатывать и дорабатывать в лабораториях», — комментирует один из авторов работы, сотрудник ЦК НТИ ИПХФ РАН, Дмитрий Конев. «Мы предложили совершенно новую конструкцию ячейки МЭБ, которая облегчит труд исследователя и сильно снизит порог входа новых научных групп в эту область. В перспективе это позволит добиться существенного прогресса и выведет распределенную энергетику из каких-то кулуарных решений на самый высокий уровень коммерциализации, в том числе и в России».
Сэнвдич с лазерной начинкой
МЭБ — это сердце проточной батареи. Он выглядит как сэндвич из листов разных материалов, разделенный на две симметричных части, в каждую из которых поступает свой электролит. Когда батарея подключена к внешней сети, то один электролит окисляется, другой восстанавливается и так батарея заряжается. После этого источник питания можно отключить и наоборот подключить к батарее нагрузку — в электролитах пойдут противоположные процессы, и батарея станет разряжаться.
Важная часть МЭБ — это пластины проточных полей, то есть слои сэндвича, по которым электролиты поступают к электродам, где окисляются или восстанавливаются. От того насколько хорошо организованы проточные поля сильно зависят характеристики батареи — ее мощность или, например, КПД. Поэтому исследователи часто подбирают разные типы полей, чтобы оптимизировать работу батарей, но сейчас это очень трудоемкая задача: проточные поля фрезеруются в твердых графитовых пластинках, что занимает много времени. Российские исследователи предложили другой подход.
«Мы формируем проточные поля с помощью нескольких тонких слоев углеродных материалов: в них лазером вырезаются нужные рисунки, а потом эти слои накладываются друг на друга, чтобы получилась требуемое поле, общую объемную картину», — рассказывает Роман Пичугов первый автор работы, сотрудник РХТУ им. Д.И. Менделеева. «Так процедура создания проточного поля занимает считанные минуты, что гораздо меньше, чем классическое фрезерование графита. Плюс используются более дешевые материалы, а в результате у исследователей получается даже больший простор для вариации и подбора проточных полей».
От ячейки к стэку
Проточные батареи могут работать с разными электролитами. Самые распространённые (в том числе те, которые установлены в Китае и внедряются в других странах) используют ванадиевые электролиты, то есть растворы солей ванадия. Именно на них испытали свою конструкцию ячейки и российские ученые. Они перебирали различные типы проточных полей, а также варьировали скорость подачи электролита и получили результаты, которые на качественном уровне совпадают с лучшими мировыми исследованиями, а на количественном даже незначительно превосходят их: мощности протестированных МЭБ незначительно превосходили мощности аналогичных ячеек на графите.
Таким образом, МЭБ новой конструкции подходят для упрощения лабораторных испытаний и в перспективе может использоваться в реальных накопителях энергии для распределенных электросетей. Сейчас российские ученые в сотрудничестве с компанией InEnergy разрабатывают и испытывают ванадиевую проточную батарею, составленную из 10 таких ячеек с суммарной мощностью 20 Вт. Конструкции как самой ячейки, так и стэка из 10 ячеек защищены патентами, последний из которых принадлежит компании “АДАРМ”, созданной сотрудниками РХТУ. Кроме того, ученые на базе предложенной конструкции МЭБ ведут разработки других видов проточных батарей, использующих иные электролиты.
РХТУ им. Д. И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками лаборатории ЭМЭЭ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Центра компетенций НТИ ИПХФ РАН, а также ИФХЭ РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова.
Статья: R.D. Pichugov et al, Electrolyte Flow Field Variation: A Cell for Testing and Optimization of Membrane Electrode Assembly for Vanadium Redox Flow Batteries, ChemPlusChem, 2020. DOI: 10.1002/cplu.202000519