19.05.2019
Создана более эффективная и надежная калиево-кислородная батарея, как шаг к потенциальному решению для накопления энергии в энергосистеме страны.
В своей статье исследователи из Университета штата Огайо подробно изложили свои соображения, связанные с конструкцией катода батареи, в котором хранится энергия, полученная в результате химической реакции в металло-кислородной или металло-воздушной батарее. Исследователи говорят, что это открытие может сделать возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая энергия, более жизнеспособными вариантами для энергосистемы, за счет дешевого и эффективного хранения энергии.
Вишну Баба Сундаресан, соавтор исследования и профессор машиностроения и аэрокосмической техники в штате Огайо, говорит: «Если вы хотите перейти на полностью возобновляемый вариант для энергосистемы, вам нужны экономичные устройства накопления энергии, которые смогут накапливать избыточную мощность и возвращать ее обратно, когда источник не работает. Разработанная нами технология является ключевой, потому что она дешевая, не использует экзотических, дорогих материалов, доступна, способствует развитию местной экономики».
Возобновляемые источники энергии не выделяют углекислого газа, поэтому не способствуют глобальному потеплению. Но они обеспечивают энергией только тогда, когда светит солнце или дует ветер. Чтобы они были надежными источниками энергии для энергосистемы региона, необходимо найти способ хранения избыточной энергии, которую дают ветрогенераторы, солнечные панели и другие системы.
Компании, ученые и правительства по всему миру работают над решениями для хранения, начиная от литий-ионных аккумуляторов из ванадия, до очень гигантских аккумуляторов размером с большой магазин.
Калийно-кислородные батареи были потенциальной альтернативой для накопления энергии с момента их изобретения в 2013 году. Группа исследователей из штата Огайо во главе с профессором химии Йиин Ву доказала, что батареи могут быть более эффективными, чем литий-кислородные, и одновременно хранить вдвое больше энергии, чем существующие литий-ионные аккумуляторы. Но калийно-кислородные батареи широко не использовались, потому что до сих пор они не могли перезаряжаться столько раз, чтобы быть экономически эффективными.
Калийно-кислородная батарея не подходит для хранения, т.к. быстро разряжается, имеет не более пяти или десяти циклов зарядки. Кислород попадал в анод батареи, вызывал разрушение анода, в результате батарея больше не могла подавать заряд.
Пол Гилмор, кандидат наук в лаборатории Сундаресана, начал включать полимеры в катод, чтобы продлить жизнь калийно-кислородным батареям. И он был прав: набухание в полимере сыграло важную роль в его работе. Ключ, сказал Гилмор, находил способ подвести кислород в аккумулятор, без того, чтобы кислород просочился в анод.
Фактически воздух поступает в батарею через слой волокнистого углерода, затем встречается со вторым слоем, менее пористым, и заканчивается третьим слоем, который практически не является пористым. Последний слой из проводящего полимера, позволяет ионам калия перемещаться по катоду, но ограничивает попадание молекулярного кислорода на анод. Такую батарею можно заряжать не менее 125 раз, что дает калиево-кислородным батареям более чем в 12 раз более длительный срок службы.
Результаты показывают, что это возможно, но тесты команды пока не доказали, что батареи могут быть сделаны в масштабе, необходимом для хранения энергосистемы, сказал Сундаресан.
Гилмор отметил, что потенциал калий-кислородных батарей также может быть полезен для других применений: «Кислородные батареи могут повысить потенциал электромобилей и батарей портативной электроники. Но прежде чем это произойдет, ученым нужно преодолеть несколько препятствий».
Есть альтернатива литий-ионным батареям и другим, которые полагаются на кобальт, материал, названный «кровавым алмазом». Но его добыча настолько сложна, что крупные компании, включая TESLA, объявили о планах исключить его из батарей.
Литий-кислородные батареи - решение, которое широко считается одним из наиболее жизнеспособных, могут быть дорогими, и содержать ограниченные ресурсы, включая кобальт. Литиево-ионные аккумуляторы – это 100 долларов за киловатт-час на уровне материалов.
По оценкам исследователей, новая калиево-кислородная батарея будет стоить 44 доллара за киловатт-час.
«Мы доказали, что можем сделать батарею такой дешевой и стабильной, то это сделает ее конкурентоспособной, на фоне других технологий резервного копирования энергосистемы». сказал Сундаресан.