02.05.2018
Исследователи из Стэндфордского университета разработали аккумуляторы на водной основе, которая способна обеспечить дешевый способ хранения энергии ветра или солнца.
Прототип марганцево-водородной батареи, представленный 30 апреля, высотой лишь в 3 дюйма, и он генерирует всего 20 милливатт часов электроэнергии. Несмотря на это, специалисты уверены, что смогут масштабировать эту модель до системы промышленного уровня, которая будет заряжаться и перезаряжаться до 10 000 раз, создавая батарею сетчатой шкалы с полезным сроком жизни, превышающим 10 лет.
Йи Цуй, профессор материаловедения в Стэнфорде и старший автор работы, сказал, что технология марганцево-водородной батареи – это эффективный способ сохранить энергию неподдающихся контролю ветра или солнца. Она также является способом, который позволит уменьшить необходимость сжигать надежные, но углеродистые ископаемые виды топлива.
«Наша конструкция выбрасывает в воду специальную соль, она падает в электрод и создает обратимую химическую реакцию, которая хранит электроны в виде газообразного водорода», - сказал Цуй.
Умная химия
Команду ученых, которая разработала эту концепцию и создала прототип, возглавила Вэй Чен, аспирантка в лаборатории Цуй. В ходе работ исследователи сделали контролируемым обратимый электронный обмен между водой и сульфатом марганца, дешевой, изобильной промышленной солью.
Инженеры уже знали, как воссоздать электроэнергию из энергии, хранящейся в газообразном водороде, поэтому следующим шагом было доказать, что батарея на водной основе может быть перезаряжена.
Исследователи сделали это, повторно связав свой источник энергии с истощенным прототипом, чтобы заставить частицы двуокиси марганца пополнить соль сульфата марганца. Когда соль была восстановлена, входящие электроны стали излишними, и избыточная энергия могла пузыриться в виде газообразного водорода в процессе, который можно повторять снова и снова.
Кюи подсчитал, учитывая срок службы этой батареи, что хранение достаточного количества электроэнергии для питания 100-ваттной лампочки в течение двенадцати часов будет стоить практически копейки.
Лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, профессор Стэнфорда, в течение многих лет проявлял интерес к подобным технология, тем, которые способствуют переходу страны на возобновляемые источники энергии.
Стивен Чу, который не был членом команды разработчиком, отметил, что ученые продемонстрировали новый тип батарей будущего – долговечных, недорогих и эффективных.
Переход от углерода
В данный момент 70% электроэнергии в США генерируется с применением угля или природного газа, на них приходится 40 % выбросов углекислого газа. Переход на ветрогенераторы и солнечные модули - один из способов уменьшить выбросы. Но это создает новые проблемы, связанные с нестабильностью таких источников, как ветер и солнце.
Вторую проблему порождают скачки спроса на электроэнергию. Коммунальные службы нуждаются в эффективных механизмах, которые позволят увеличить выработку электроэнергии в течение нескольких минут, чтобы избежать обвалов или отключений.
Высокая производительность, низкая стоимость
Сегодня на рынке существует несколько типов перезаряжаемых аккумуляторных батарей. Например, перезаряжаемые литиево-ионные батареи, которые хранят небольшое количество энергии, необходимой для работы с телефонами и ноутбуками, сделаны на основе редких материалов, поэтому слишком дороги. Для хранения в сети нужна недорогая, высокопроизводительная перезаряжаемая батарея.
Марганцево-водородная батарея является в этом плане многообещающей. Ее недорогие материалы и относительная простота конструкции сделали марганцево-водородную батарею идеальной.
Изготовленный прототип нуждается в доработке. С одной стороны, он использует платину в качестве катализатора для стимулирования критических химических реакций на электроде, которые делают процесс перезарядки эффективным. Но стоимость этого компонента будет непомерно высокой для крупномасштабного применения.
Но Чэнь сказал, что команда ученых уже работает над тем, чтобы использовать более дешевые материалы. «Мы нашли катализаторы, которые могли бы привести нас к показателю ниже целевого в размере 100 долларов за киловатт-час», - сказал он.