Учени разработиха нова концепция за достъпни и безопасни батерии

ЕлектроенергетикаИновацииСп. Енерджи ревю - брой 5, 2022 • 12.09.2022

Учени разработиха нова концепция за достъпни и безопасни батерии

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.

 

“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.



ЕКСКЛУЗИВНО


Top