Теперь Сэдовей и его коллеги скорректировали схему и протестировали
очередной прототип. Учёные проверили, как устройство выдерживает серию
многочасовых циклов заряда-разряда при высоких нагрузках от 50 до 200
мА/см2. Напомним, что в таком аккумуляторе находятся
три слоя расплавов, разделённые между собой исключительно за счёт разной
плотности. Верхний слой – это магний (анод), средний – солевой
электролит (в последней вариации батареи это MgCl2–KCl–NaCl), нижний – сурьма плюс магний (катод).
Схема аккумулятора. Рабочая температура
устройства – 700 градусов Цельсия. При больших размерах батареи (а её
предлагают использовать в стационарном амплуа) токи, протекающие через
расплавы при заряде и разряде, достаточны для поддержания нормальной
температуры начинки (иллюстрация с сайта greencarcongress.com).
По мере накопления энергии (смотрите схему вверху) магний за счёт
электрического тока извлекается из расплава магний-сурьма и в виде ионов
переходит на анод, где забирает электроны и превращается в нейтральный
металл. При разряде этот же элемент отдаёт электроны и путешествует
в обратном направлении. Соответственно меняется толщина основных слоёв. Как
видим, в такой батарее твёрдыми остаются лишь корпус, изоляторы
и электрические выводные контакты (токоприёмники). Это означает, что
новинка не боится очень больших токов и потенциально обладает высокой
живучестью и отказоустойчивостью. Ломаться и деградировать тут
почти что нечему. А внезапно расплавить уже и так расплавленные
компоненты даже аварийная нагрузка не сможет. Но это в теории. На
практике всё оказалось не так однозначно.
Тестовый образец ячейки на жидких металлах. Для
показа начинки эту батарею охладили, заполнили пустоты эпоксидкой
и распилили пополам (фото ACS, Bradwell et al.).
Во-первых, опыт подтвердил стойкость выбранных деталей, несмотря на
высокую температуру и агрессивную среду. Более 30 циклов в течение двух
недель не привели к каким-либо признакам коррозии твёрдых компонентов (а
их искали даже при помощи микроскопии и ряда других методов анализа). Во-вторых, авторы батареи определили, что она обладает энергетической эффективностью в 69%. А в-третьих,
через несколько недель постоянных циклов опытная батарея вышла из
строя. Причина — испарение солевого электролита. Но изобретатели
считают, что эта проблема может быть решена путём пересмотра конструкции
корпуса. По словам учёных, магниево-сурьмяная батарея на жидких
металлах (Magnesium–Antimony Liquid Metal Battery), так она называется
полностью, интересна своей низкой стоимостью и способностью выдавать
в сеть большую мощность. Потому на основе таких аккумуляторов можно
с низкими затратами строить крупномасштабные накопители энергии.
Сэдовей, Брэдуэлл и Ортиц. Инвесторами их компании выступают французский промышленный гигант Total и Билл Гейтс (фото LMBC).
Ещё в 2010 году Сэдовей и его коллеги – Дэвид Брэдуэлл (David Bradwell) и Луи Ортиц (Luis Ortiz) основали корпорацию Liquid Metal Battery для развития нового типа аккумулятора и вывода его на рынок. Теперь,
после продвижения экспериментов с небольшим прототипом, компания должна
перейти к следующему этапу: необходимо оптимизировать дизайн и,
возможно, состав твёрдых компонентов батареи (корпус, токоприёмники),
провести дополнительные тесты на коррозионную стойкость и, наконец,
создать крупную модель, пригодную для тиражирования. (Подробности новой работы можно найти в статье в Journal of the American Chemical Society.)
|