Китайские исследователи представляют железную проточную батарею, которая может выдержать 6000 циклов без потери емкости. Сырой металл стоит в 80 раз дешевле лития.
Исследователи из Института исследования металлов Китайской академии наук (CAS) в Шеньяне разработали новую железную проточную батарею. Он может выдержать более 6000 полных процессов зарядки и разрядки без заметной потери емкости — это эквивалентно более чем 16 годам ежедневного использования.
Подробности читайте после объявления
Активным материалом является железо, которое в настоящее время примерно в 80 раз дешевле лития.
Результаты были опубликованы в специализированном журнале командой под руководством первого автора Вэй Вэя и соруководителей Тан Ао и Ли Ин. Передовые энергетические материалы (пресс-релиз CAS).
Как сообщает South China Morning Post, эксперты видят в этом важный шаг к тому, чтобы сделать крупномасштабное хранение электроэнергии из возобновляемых источников экономически привлекательным.
Молекулярный защитный экран от износа
Железные проточные батареи уже давно считаются перспективными: они обходятся обильным сырьем и используют в качестве электролитов негорючие жидкости на водной основе.
Однако до сих пор ячейке не удалось достичь рыночной зрелости из-за отрицательной стороны клетки: активный материал постепенно разлагается и мигрирует через разделительную мембрану. Этот так называемый перекрестный эффект резко сокращает срок службы.
Подробности читайте после объявления
Команда CAS решила эту проблему с помощью хитроумного молекулярного трюка. Недавно разработанный комплекс железа с формулой (Fe(HPF)BHS)⁴⁻ сочетает в себе два защитных механизма в одной молекуле: его объемная, жесткая структура окутывает железное ядро, как броня, и физически удерживает агрессивные ионы гидроксида.
Кроме того, высокий отрицательный заряд комплекса создает электростатический барьер за счет так называемого эффекта Доннана — он в сто раз уменьшает прохождение через мембрану.
Высокая эффективность, низкие затраты
По данным компании Interest Engineering, прототип достигает кулоновского КПД 99,4 процента. Даже при высоких нагрузках 150 мА/см² энергоэффективность остается на очень высоком уровне — 78,5 процента; пиковая плотность мощности составляет 392,1 мВт/см².
За все 6000 циклов не возникло никаких вредных побочных продуктов или отложений.
Проточные батареи, потребляя от 30 до 40 ватт-часов на литр, хранят значительно меньше энергии на единицу объема, чем литий-ионные батареи. Однако это имеет второстепенное значение для стационарных сетевых систем хранения, обеспечивающих электроэнергию в течение четырех-двенадцати часов.
Здесь более важна так называемая нормированная стоимость хранения (LCOS) – то есть стоимость одного киловатт-часа, хранящегося в течение всего срока службы. А благодаря чрезвычайной долговечности они значительно ниже: расчеты предполагают около 0,16 долларов США за киловатт-час для десятичасовых систем, что до 40 процентов ниже уровня сопоставимых литий-ионных систем хранения данных.
Международная конкуренция и масштабирование
Исследование проводится в то время, когда гонка за проточными батареями на основе железа набирает обороты во всем мире. В США компания ESS Tech из Орегона занимается разработкой систем подачи кислотного железа и сотрудничает с Google в рамках проекта New Horizon (поставка запланирована на конец 2027 года).
Однако эти конструкции борются с образованием дендритов — игольчатых кристаллов, которые могут вызывать короткие замыкания. Щелочная химия китайского варианта позволяет избежать этой проблемы.
Прежде чем начнется массовое производство, еще предстоит преодолеть несколько препятствий: мембраны необходимо оптимизировать для систем мегаватт-часа, а насосы и системная интеграция также требуют дальнейших разработок.
В принципе, большей емкости хранения можно легко достичь с помощью проточных батарей с использованием резервуаров с электролитом большего размера, но сначала необходимо наладить необходимые цепочки поставок.
Эта технология все еще может стать ключом к энергетическому переходу. Когда нет ветра и солнца, электросети нуждаются в надежном и недорогом долговременном хранении. Батарея, работающая 16 лет без поддержания активного материала и основанная на одном из самых распространенных элементов в земной коре, отвечает – по крайней мере, на бумаге – важнейшим для этого требованиям.
