В настоящее время доля электрической энергии, получаемой из возобновляемых источников, таких, как энергия солнечных лучей и энергия ветра, увеличивается буквально с каждым днем. Однако, в отличие от традиционных источников, альтернативные источники энергии не отличаются постоянством, количество отдаваемой ими энергии зависит от времени года, метеорологических условий и даже от времени суток. Именно поэтому альтернативные энергетические системы нуждаются в промежуточных устройствах хранения энергии, которые накапливают ее избытки в моменты максимальной мощности работы электростанций и отдают ее потребителям в часы пикового потребления.
Одним из перспективных видов устройств промежуточного хранения энергии являются проточные аккумуляторные батареи, которые сохраняют энергию в виде химической энергии соединений, растворенных в жидком электролите. Электрическая емкость таких батарей зависит только от объема баков для хранения “заряженного” электролита, однако, во всех подобных батареях, созданных ранее, использовались достаточно сложные и дорогостоящие химикаты, а элементы конструкции таких батарей должны были иметь защиту от химически агрессивной среды в их рабочей области. И недавно, ученым из Гарвардского университета удалось найти решение сразу обеих проблем, упомянутых выше. В созданной ими проточной аккумуляторной батарее используются только органические вещества, растворенные в обычной нейтральной воде.
Следует отметить, что гарвардские ученые работают над проблемой проточных батарей уже достаточно долго. В традиционных конструкциях подобных батарей используются электролитические жидкости на основе соединений ванадия и брома, растворенных в кислой среде. Все это опасно, сложно и дорого, кроме этого, такие батареи теряют часть своей емкости с увеличением количества циклов заряда-разрядки. Первым шагом к решению данной проблемы стала замена соединений ванадия абсолютно безвредным органическим соединением хиноном. А еще через год, в 2015 году, исследователи заменили соединения брома ферроцианидом, веществом, которое используется в пищевых добавках. Такие замены привели к изменению pH-фактора растворов электролита с кислотного на щелочной и это дало возможность использовать в батарее баки и трубопроводы, изготовленные из относительно недорогого пластика.
И последним шагом, сделанным учеными, стала батарея, в которой используются водные растворы молекул виологена (viologen) и ферроцена (ferrocene), которые представляют собой отрицательный и положительный электролит батареи соответственно. Для того, чтобы эти молекулы смогли работать в качестве основ электролита, ученым, путем структурных изменений этих молекул, пришлось сделать их растворимыми в воде и обеспечить и стойкость к деградации. И в результате получилось то, что проточная батарея на основе таких электролитов, теряет всего около процента емкости за 1000 циклов заряда-разрядки.
Весьма длительный срок эксплуатации батареи нового типа обусловлен не только стойкостью растворов-электролитов. Нейтральный pH-фактор растворов позволил изготовить из более простого и более надежного материала разделительную мембрану батареи, которой не стало необходимым выдерживать влияние агрессивных химических реакций на границе, ею же и создаваемой. “В других проточных батареях стоимость ионной мембраны из фторосодержащих полимеров составляет около трети от суммарной стоимости батареи, поэтому мы сейчас не можем даже приблизительно оценить снижение затрат при производстве новых батарей” – пишут исследователи, – “Мембрана нашей батареи изготовлена из обычного углеводородного полимера, который получается, как и другие подобные полимеры, из нефти”.
“Все компоненты и технологии, используемые в конструкции нашей батареи уже существуют и присутствуют на рынке” – пишут исследователи, – “Мы сейчас работаем с несколькими партнерами с целью создания реальной батареи, которую можно будет использовать в практических целях. Для этого мы в течение нескольких следующих месяцев создадим один или два опытных образца, на которых будет произведена доработка всех технологий до необходимого уровня”.
