Високий і зростаючий попит на літій-іонні акумулятори, які домінують на ринку, стимулює пошук альтернатив. В ідеалі вони повинні бути виготовлені з недорогих, доступних матеріалів. Девід Чандлер з Массачусетського технологічного інституту описує дослідження конструкції, яка використовує алюміній і сірку як два електродні матеріали з розплавленим сольовим електролітом між ними. Результати вказують на батареї, які мають прогнозовану вартість елемента приблизно в одну шосту від порівнянних літій-іонних елементів. Більше того, хлоралюмінатний сольовий електроліт не потребує спеціального нагрівання, він протистоїть утворенню дендритів, які можуть замкнути акумулятор. Вони повинні ідеально підходити для невеликих стаціонарних сховищ, таких як будинки, невеликі підприємства та зарядні станції для електромобілів , усе, що потребує акумуляторів на десятки кВт-год, пояснює Чендлер.
Нова концепція недорогих акумуляторів . Алюмінієво-сірчана батарея, виготовлена з недорогих і доступних матеріалів, може забезпечити недороге резервне зберігання відновлюваних джерел енергії. Девід Чендлер, Новини MIT.
У міру того як у світі будуються все більші установки вітряних і сонячних енергетичних систем, швидко зростає потреба в економічних великомасштабних резервних системах для забезпечення електроенергією, коли сонце заходить і вітру нема. Сучасні літій-іонні батареї все ще надто дорогі для більшості подібних застосувань, а інші варіанти, такі як насосна гідросистема, вимагають специфічної топографії, яка не завжди доступна.
Тепер дослідники з Массачусетського технологічного інституту та інших країн розробили новий вид батареї, повністю виготовленої з великої кількості недорогих матеріалів, яка може допомогти заповнити цю прогалину.
Нова архітектура батареї, яка використовує алюміній і сірку як два електродні матеріали з розплавленим соляним електролітом між ними, описана в журналі Nature у статті професора Массачусетського технологічного інституту Дональда Садовей який працював разом із 15 іншими членами дослідницької групи з Массачусетського технологічного інституту, Китаю, Канади, Кентуккі та штату Теннессі.
«Я хотів винайти щось краще, набагато краще, ніж літій-іонні батареї невеликих стаціонарних сховищ і, зрештою, для електроавтомобілів», — пояснює Садовей, який має нагороду почесного професора хімії матеріалів ім. Джона Ф. Елліота.
Алюміній, сірка і сіль дешеві і їх дуже багато
Окрім того, що літій-іонні акумулятори дорогі, вони містять легкозаймистий електроліт, що робить їх не ідеальними для транспортування. Тож Садовей почав вивчати періодичну таблицю Менделєєва, шукаючи дешеві, поширені на Землі метали, які могли б замінити літій. Домінуючий у комерційних цілях метал, залізо, не має відповідних електрохімічних властивостей для ефективної батареї, каже він. Але другим за поширеністю металом на ринку — і фактично найпоширенішим металом на Землі — є алюміній. «Отже, я сказав, добре, давайте просто зробимо це з алюмінієм», – каже він.
Потім вирішували, з чим поєднати алюміній для іншого електрода, і який тип електроліту поставити між ними, щоб переносити іони вперед і назад під час заряджання та розряджання. Найдешевшим з усіх неметалів є сірка, тому вона стала другим електродним матеріалом. Що стосується електроліту, то «ми не збиралися використовувати летючі, легкозаймисті органічні рідини», які іноді призводили до небезпечних пожеж в автомобілях та інших застосуваннях літій-іонних акумуляторів, каже Садовей. Вони спробували деякі полімери, але в результаті дослідили різні розплавлені солі, які мають відносно низьку температуру плавлення — близьку до точки кипіння води, на відміну від майже 1000 градусів за Фаренгейтом для багатьох солей. «Коли ви знизите температуру до температури тіла, це стане практичним» для виготовлення батарей, які не потребують спеціальної ізоляції та антикорозійних заходів, – каже він.
Три інгредієнти, які вони отримали, є дешевими та легкодоступними — алюміній, нічим не відрізняється від фольги в супермаркеті; сірка, яка часто є відходами таких процесів, як переробка нафти; і широко доступні солі. «Інгредієнти дешеві, і річ безпечна — вона не горить», — каже Садовей.
Дешевше, ніж літій-іонні елементи
У своїх експериментах команда показала, що елементи батареї можуть витримувати сотні циклів за надзвичайно високої швидкості заряджання, прогнозована вартість елемента становить приблизно одну шосту від порівнянних літій-іонних елементів. Вони показали, що швидкість заряджання значною мірою залежить від робочої температури: 110 градусів за Цельсієм (230 градусів за Фаренгейтом) показали швидкість у 25 разів швидше, ніж при 25 C (77 F).
Стійкий до «дендритного» замикання
Дивно, але розплавлена сіль, яку команда обрала як електроліт просто через її низьку температуру плавлення, виявилася випадковою перевагою. Однією з найбільших проблем у надійності батареї є утворення дендритів, вузьких металевих шипів, які накопичуються на одному електроді та згодом розростаються, контактуючи з іншим електродом, спричиняючи коротке замикання та знижуючи ефективність. Але ця сіль, дуже добре запобігає цій проблемі.
Хлоро-алюмінатна сіль, яку вони обрали, «по суті, видаляла ці дендрити, що утворюються, і водночас дозволяла дуже швидко заряджати акумулятор», — каже Садовей. «Ми проводили експерименти з дуже високою швидкістю заряджання, заряджаючись менше ніж за хвилину, і ми ніколи не втрачали елементи через замикання дендритів».
«Це смішно», — каже він, оскільки вся увага була зосереджена на пошуку солі з найнижчою температурою плавлення, але ланцюгові хлоралюмінати, які вони отримали, виявилися стійкими до проблеми замикання. «Якби ми почали із спроби запобігти дендритному замиканню, я не впевнений, що знав би, як це зробити», — каже Садовей. «Я припускаю, що для нас це була інтуїція».
Зовнішнє тепло не потрібне
Більше того, батарея не потребує зовнішнього джерела тепла для підтримки робочої температури. Тепло утворюється електрохімічним шляхом під час заряджання та розряджання батареї. «Під час заряджання ви виробляєте тепло, і це запобігає замерзанню солі. А потім, коли ви розряджаєте його, він також генерує тепло», — каже Садовей. У типовій установці, яка використовується для вирівнювання навантаження на об’єкті сонячної генерації, наприклад, «ви накопичували б електроенергію, коли світить сонце, а потім відбирали б електроенергію після настання темряви, і ви б робили це щодня. І цього заряду-холосту-розряду-холосту достатньо, щоб генерувати достатньо тепла, щоб підтримувати температуру».
Десятки кВт/год накопичувальної ємності для будинків і невеликих підприємств
Ця нова формула батареї, за його словами, була б ідеальною для установок такого розміру, які необхідні для живлення одного будинку або малого та середнього підприємства, виробляючи ємність порядку кількох десятків кіловат-годин.
Для великих установок, потужністю від десятків до сотень мегават-годин, інші технології можуть виявитися більш ефективними, включно з рідкометалевими батареями, розробленими Садовеєм і його учнями кілька років тому, які стали основою для додаткової компанії під назвою Ambri, яка сподівається, що поставити свою першу продукцію протягом наступного року. За цей винахід Садовей нещодавно був нагороджений цьогорічною премією European Inventor Award.
…і зарядні станції для електромобілів
Менший масштаб алюмінієво-сірчаних акумуляторів також зробить їх практичними для використання, наприклад, для зарядних станцій для електромобілів, каже Садовей. Він зазначає, що електричні транспортні засоби стають настільки поширеними на дорогах, що кілька автомобілів хочуть заряджати одночасно, як це відбувається сьогодні з бензиновими паливними насосами, «якщо ви спробуєте зробити це за допомогою акумуляторів і вам потрібна швидка зарядка, сила струму просто настільки висока, що ми не маємо такої сили струму в лінії, яка живить установку». Таким чином, наявність такої акумуляторної системи для накопичення енергії, а потім її швидкої віддачі за потреби може усунути потребу в установці нових дорогих ліній електропередач для обслуговування цих зарядних пристроїв.
Нова технологія вже є основою для нової додаткової компанії під назвою Avanti, яка ліцензувала патенти на систему, співзасновниками якої є Садовай та Луїс Ортіс, який також був співзасновником Ambri. «Першочергове завдання для компанії — продемонструвати, що вона працює в масштабах», — каже Садовей, а потім піддати серії стрес-тестів, включаючи проходження сотень циклів зарядки.
Чи може батарея на основі сірки створювати неприємні запахи, пов’язані з деякими формами сірки? Немає шансів, каже Садовей. «Запах тухлих яєць — це газ, сірководень. Це елементарна сірка, і вона буде укладена всередину елементів». Якби ви спробували відкрити літій-іонну батарею на своїй кухні, каже він (і, будь ласка, не пробуйте цього вдома!), «волога в повітрі відреагувала б, і ви б почали генерувати всілякі нечистоти. гази також. Це законні запитання, але батарея герметична, це не відкрита посудина. Тому я б не хвилювався з цього приводу».
До дослідницької групи входили члени Пекінського університету, Юньнаньського університету та Уханьського технологічного університету в Китаї; Університет Луїсвіля, штат Кентуккі; Університет Ватерлоо, Канада; Аргонська національна лабораторія, Іллінойс; і MIT. Робота була підтримана Енергетичною ініціативою Массачусетського технологічного інституту, Центром технологічних інновацій Дешпанде Массачусетського технологічного інституту та ENN Group.
Девід Чандлер – письменник Інституту Массачусетського технологічного інституту.
Передруковано з дозволу MIT News.
Джерело інформації: energypost.eu
