В проточных батареях химические растворы
из двух отдельных резервуаров направляются в камеру с двумя
электродами, разделённую мембраной. В камере происходит химическая
реакция между веществами, при этом они через мембрану обмениваются
протонами и положительно заряженными ионами. Образующиеся в ходе реакции
электроны двигаются по цепи, соединяющей два электрода, при этом
происходит разряд аккумулятора. Обратная последовательность действий
приводит к перезарядке батареи.
Основное преимущество таких
аккумуляторов состоит в том, что необходимые реагенты могут храниться за
пределами конструкции самой батареи, а значит, увеличить мощность можно
всего лишь расширив резервуар. Это удобно, если речь идёт о хранении
больших запасов энергии.
Что касается самих химикатов, то большинство моделей проточных батарей работает благодаря ионам ванадия, а этот элемент является крайне дорогостоящим.
"В последние несколько лет мы с
коллегами занимались поиском альтернативы ванадию. И пришли к
органической химии", — рассказывает Азиз.
Анод новой батареи использует раствор серной кислоты, содержащий особые органические соединения хиноны. Это вещество является дешёвым материалом и к тому же при реакции с протонами образует более высокоэнергетическое соединение гидрохинон, благодаря чему батарея заряжается. На катоде аккумулятора происходит реакция брома и бромистоводородной кислоты.
Реакция хинон-гидрохинон протекает в
тысячу раз быстрее, чем реакции с использованием ионов ванадия, и
батарея приобретает способность быстро заряжаться и разряжаться.
Экспериментируя с частями, составляющими молекулы хинонов, химики
добились тонкой настройки свойств получаемых аккумуляторов (например,
выходного напряжения).
Прототип батареи, который Азиз и его коллеги подробно описывают в статье журнала Nature,
совершил 100 циклов зарядки-разрядки без признаков деградации. Однако
для коммерческого запуска модели потребуется доказать, что аккумулятор
работает на протяжении как минимум 10 тысяч циклов.
По подсчётам Азиза, батарея сможет
сохранить до одного киловатт-часа энергии при использовании материалов,
стоимость которых составит всего $27 (около 800 рублей), что втрое
дешевле ванадиевых конкурентов. При некоторых модификациях новое
устройство сможет конкурировать и с другими технологиями хранения
большого количества энергии, например, со сжатым воздухом.
Разработчики новинки поведали и о её существенных недостатках. Как признаётся Азиз в пресс-релизе,
ахиллесовой пятой его новой батареи является бром и бромистоводородная
кислота, которые могут вызвать коррозию, если вытекут на поверхность. В
данный момент учёные подумывают поменять эти соединения на органику,
например, на другие хиноны.
Агентство передовых исследований в области энергетики США (ARPA—E)
уже заказало у учёных прототип батареи, попросив за три года "увеличить
её размер до размеров лошадиного прицепа". А коммерциализацией уже
существующей модели будет заниматься компания Sustainable Innovations of
Glastonbury.
Также по теме:
Учёные напечатали на 3D-принтере микроскопические батарейки
Специалисты MIT соединили живую ткань и электронику
Тепло тела превратили в энергию для микроприборов
Японцы придумали, как заряжать электромобили прямо от дороги
Американские ученые не дадут батарейкам "расслабиться"
Канадцы научились получать электричество из водопроводного крана
| 
