Учени разработиха нова концепция за достъпни и безопасни батерии
• Електроенергетика • Иновации • Сп. Енерджи ревю - брой 5, 2022 • 12.09.2022

С увеличаване на броя и мащаба на инсталациите за вятърна и соларна енергия, бързо нараства необходимостта от икономични системи за съхранение, които да осигуряват енергия, когато няма слънце и времето е тихо. Съвременните литиево-йонни батерии са все още прекалено скъпи за подобни приложения, а други варианти, например помпено-акумулиращите водноелектрически централи, изискват специфична топография, която невинаги е налице. Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) разработиха нов вид батерия, направена изцяло от налични в изобилие и евтини материали, която може да спомогне за запълване на тази ниша.
ПОДОБНИ СТАТИИ
200 млн. лв. за собствени ВЕИ мощности ще получат българските компании по НПВУ
Системи за управление на батерии
BRS – зелени решения за съхранение на енергия за индустрията и дома
Батерии за телекомуникационно оборудване
Световното търсене на батерии ще скочи значително до 2030 г.
“Исках да създам нещо по-добро, много по-добро от литиево-йонните батерии за малкомащабни неподвижни системи за съхранение и за автомобилния сектор”, обяснява проф. Доналд Садоуей, ръководител на екипа. Освен че са скъпи, литиево-йонните батерии съдържат запалим електролит, който ги прави неподходящи за транспортиране. Затова Садоуей започва да търси евтини, налични в изобилие метали, които биха могли да заменят лития. Доминиращото на пазара желязо не притежава необходимите електрохимични свойства за една ефективна батерия и затова екипът се спира на втория по разпространение метал – алуминий.
След това учените трябва да решат с какво да комбинират алуминия за изработката на другия електрод и какъв вид електролит да използват за обмена на йони по време на зареждане и разреждане. Най-евтиният неметал е сярата и затова изследователите избират нея за материал за втория електрод. Що се отнася до електролита, Садоуей не иска да използва летливи, запалими органични течности, които понякога водят до опасни пожари в електромобили и други случаи на приложение на литиево-йонни батерии. Учените изпробват някои полимери, но в крайна сметка се насочват към различни видове разтопени соли, които са с относително ниски температури на топене – близки до температурата на кипене на водата. Според учените щом се достигне до температура, близка до телесната, става практично да се правят батерии, които не изискват специална изолация и антикорозионни мерки.
Трите съставки, които изследователите избират, са евтини и налични в изобилие – алуминий, не по-различен от фолиото в супермаркетите; сяра, която често е отпадък от процеси като рафинирането на нефт; и широко достъпни соли. Освен че материалите са евтини, батерията е безопасна и не може да гори, подчертава Садоуей.
В експериментите си екипът демонстрира, че батерийните клетки могат да издържат на стотици цикли при изключително високи скорости на зареждане, като прогнозната цена на една клетка е около една шеста от тази на аналогична литиево-йонна клетка. Учените доказват, че скоростта на зареждане зависи силно от работната температура, като при 110°C скоростта е 25 пъти по-висока, отколкото при 25°C.
Изненадващо се оказва, че избраната от екипа заради ниската си температура на топене сол има неочаквано предимство. Един от най-големите проблеми по отношение на надеждността на батериите е формирането на дендрити, представляващи тесни метални шипове, които се образуват на електрода и постепенно израстват, докато не се свържат с другия електрод, което води до късо съединение и намаляване на ефективността. Тази конкретна сол обаче се оказва много добра за предотвратяване на тази малфункция.
Избраната хлоро-алуминатна сол на практика елиминира дендритите, като същевременно позволява много бързо зареждане. Учените експериментират с много високи зарядни скорости, зареждане за по-малко от минута и в нито един от случаите не губят клетки заради причинено от дендрити късо съединение.
В допълнение батерията не се нуждае от външен топлинен източник, за да поддържа работната си температура. Топлина са генерира по естествен път електрохимично чрез зареждането и разреждането на батерията. “Когато я зареждате, се генерира топлина, която не позволява на солта да замръзне. А когато разреждате батерията, също се отделя топлина”, казва Садоуей. Той дава пример как в една типична инсталация за балансиране на товара в соларна система електроенергията се съхранява, докато слънцето грее, след което се изразходва, когато се стъмни. Цикълът зареждане – престой – разреждане – престой е достатъчен, за да генерира топлина и да се поддържа температурата.
Според учените новата батерия ще е идеална за инсталации с размер, необходим за захранване на едно домакинство или малък до среден бизнес, осигурявайки капацитет за съхранение от порядъка на няколко десетки киловатчаса. Алуминиево-серните батерии биха били практични и за зарядни станции за електромобили, смятат изследователите.
Притесненията относно отделянето на неприятна миризма заради наличието на сяра са неоснователни, подчертава Садоуей: “Неприятната миризма е заради сероводорода. Тук става въпрос за елементна сяра,която ще бъде капсулирана в клетките. Ако отворите една литиево-йонна клетка в кухнята си, което не препоръчвам да опитвате, влагата от въздуха ще изреагира с компонентите и също ще се отделят всякакви видове неприятни миризми.”
За инсталации с по-голям капацитет от десетки до стотици мегаватчаса по-ефективни могат да бъдат други технологии, включително батериите с течен метал, които Садоуей и студентите му разработват преди няколко години. За този проект американският учен наскоро е отличен с Наградата за Европейски изобретател.