Органическая химия и производство аккумуляторов

«Зелёная» энергетика получила новый толчок в развитии усилиями учёных Гарвардского университета в США.  Команда во главе с Майклом Азизом разработала новый тип проточного аккумулятора с использованием органических компонентов. 

Проточные аккумуляторы завоевали доверие учёных благодаря сроку службы (более 10 000 циклов). Но важнейшим их качеством оказалась цена батареи по отношению к 1 кВт/ч ёмкости. Самой удачной модификацией стал ванадиевый редокс-аккумулятор, работающий за счёт изменения степени окисления ванадия в растворе. Устройство аккумулятора достаточно простое: 2 камеры с электролитом, центральная камера с протонообменной мембраной и насосы. В камеры заливается раствор ванадия: в первую - V⁵⁺, во вторую – V²⁺. Встречаясь в центральной камере, растворы провоцируют сдвиг ионов в ту или иную сторону в зависимости от разрядки или зарядки батареи.

В батарее используется небольшое количество ванадия, поэтому у такой батареи есть все шансы преодолеть в цене отметку в 500$ на 1 кВт/ч своей ёмкости. Батарея способна удерживать 20-30 кВт/ч из расчёта на 1 кг своего веса. Это меньше, чем у свинцовых аккумуляторах автомобилей и ощутимо меньше, чем у литиевых батарей ноутбуков.

Экономическая целесообразность

Но для стационарной установки в домах для накопления энергии солнца или ветра вес батареи на так важен, как её ёмкость на доллар. Кстати, на японском острове Хоккайдо уже строится станция накопления электричества с использованием ванадиевых редокс-аккумуляторов.

Жаль, что японцев в этих начинаниях мало кто поддерживает.  Как подсчитало Министерство энергетики США, даже самые дешёвые ванадиевые батареи стоят около 350$ на 1 кВт/ч. А для повсеместного внедрения нужно снизить эту цифру до 100$. Проблема в том, что на долю одного ванадия приходится примерно 81$, так что совершенствование технологии почти никак не повлияет на экономическую выгоду.

Именно по этой причине команда Макла Азиза решила пересмотреть ингредиенты аккумулятора. Вместо ванадия применили хиноны – органические соединения, которые используют представители животного и растительного мира для переноса протонов и электронов в процессе дыхания. Хинон заливают в первую ёмкость, во второй – раствор брома. Во время работы аккумулятора, молекула хинона отдаёт через мембрану пару протонов, а 2 электрона по отдельной цепи. В результате из одной молекулы брома получаются 2 молекулы бромистого водорода. Когда батарею нужно зарядить, на бром подаются электроны, а протоны забирает обратно хинон.

Емкостей, объёмом в 2 тысячи литров хватит для обеспечения одного домовладения всю ночь электричеством, накопленным днём солнечными батареями. Даже при таком объёме этот вариант эффективнее свинцовых или литиевых батарей.

Преимущества хинона перед ванадием очевидны: на долю хинона в общей цене батареи приходится только 27$ на 1 кВт/ч, что втрое меньше, чем  основа ванадиевых редокс-аккумуляторов. Таким образом у хиноновой батареи есть все шансы уложиться в 100$, рекомендованных Министерством энергетики США, которое и финансирует разработки.

Важным плюсом также является свойства хинона, которые позволяют заряжать батарею в тысячу раз быстрее, чем это происходит с ванадием. Этот фактор также добавляет стабильности электросети и самой батарее.

На данный момент Майкл Азиз с командой работают над тем, чтобы и довольно опасный бром заменить другой разновидностью хинона.

Частная компания Sustainable Innovations, LLC готовит коммерческое будущее для такой разработки. Уже в течение трёх лет они планируют показать первый экземпляр, пригодный для повседневного использования потребителем. Предполагается, что первыми потребителями станут частные домовладения и бизнесмены, владеющие большими зданиями с солнечными панелями на крыше.