Прототип размером с ладонь производит в три раза больше энергии на квадратный сантиметр, чем другие безмембранные системы — плотность мощности на порядок выше, чем у многих литий-ионных батарей и других коммерческих и экспериментальных систем хранения энергии.Устройство накапливает и выделяет энергию в устройстве, которое основано на явлении, называемом ламинарным потоком: две жидкости прокачиваются через канал, претерпевая электрохимические реакции между двумя электродами для хранения или высвобождения энергии. При правильных условиях растворы проходят параллельно с очень небольшим перемешиванием. Поток естественным образом разделяет жидкости, не требуя дорогостоящей мембраны.
Реагенты в батарее состоят из раствора жидкого брома и водородного топлива. Группа решила работать с бромом, потому что это химическое вещество относительно недорогое и доступно в больших количествах: ежегодно в Соединенных Штатах производится более 243000 тонн.
В дополнение к низкой стоимости и распространению брома, химическая реакция между водородом и бромом имеет большой потенциал для хранения энергии. Но конструкции топливных элементов на основе водорода и брома в значительной степени дали смешанные результаты: бромистоводородная кислота имеет тенденцию разъедать мембрану батареи, эффективно замедляя реакцию накопления энергии и сокращая срок службы батареи.
Чтобы обойти эти проблемы, команда нашла простое решение: удалить мембрану.«Эта технология многообещающая, как и все остальное, что исследуется для хранения, если не больше, — говорит Каллен Буйе, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Вопреки предыдущему мнению, что безмембранные системы являются чисто академическими, эта система потенциально может иметь большое практическое значение».Буйе вместе с Мартином Базантом, профессором химического машиностроения, и Уильямом Браффом, аспирантом в области машиностроения, опубликовали свои результаты на этой неделе в Nature Communications.
«Здесь у нас есть система, в которой производительность такая же, как и у предыдущих систем, и теперь нам не нужно беспокоиться о проблемах с мембраной», — говорит Базант. «Это то, что может стать качественным скачком в технологии хранения энергии».Возможный рост солнечной и ветровой энергииНедорогое хранение энергии может способствовать широкому использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия.
На сегодняшний день такие источники энергии ненадежны: ветры могут быть капризными, а безоблачные дни никогда не гарантированы. С помощью дешевых технологий хранения энергии возобновляемая энергия может храниться, а затем распределяться через электрическую сеть в периоды пикового спроса на электроэнергию.«Хранение энергии — это ключевая технология, позволяющая использовать возобновляемые источники энергии», — говорит Буйе. «Пока вы не сможете сделать [накопление энергии] надежным и доступным, не имеет значения, насколько дешево и эффективно вы сможете производить энергию ветра и солнца, потому что наша сеть не может справиться с прерывистостью этих возобновляемых технологий».По словам Буйе, разработав проточную батарею без мембраны, группа смогла устранить два серьезных препятствия на пути к хранению энергии: стоимость и производительность.
Мембраны часто являются наиболее дорогостоящим и самым ненадежным компонентом батареи, поскольку они могут подвергаться коррозии при многократном воздействии определенных реагентов.Брафф построил прототип проточной батареи с небольшим каналом между двумя электродами.
Через канал группа прокачивала жидкий бром через графитовый катод и бромистоводородную кислоту под пористым анодом. В то же время исследователи пропускали газообразный водород через анод. В результате реакции между водородом и бромом образуется энергия в виде свободных электронов, которые могут быть разряжены или высвобождены.
Исследователи также смогли обратить вспять химическую реакцию в канале, чтобы захватить электроны и накапливать энергию — впервые для любой безмембранной конструкции.В экспериментах Брафф и его коллеги использовали проточную батарею при комнатной температуре в диапазоне скоростей потока и концентраций реагентов.
Они обнаружили, что максимальная удельная мощность батареи составляет 0,795 Вт запасенной энергии на квадратный сантиметр.Больше места для хранения, меньше затрат
Помимо проведения экспериментов, исследователи разработали математическую модель для описания химических реакций в системе водород-бром. Их прогнозы на основе модели совпали с результатами экспериментов — результат, который Базант считает многообещающим для разработки будущих итераций.«Теперь у нас есть инструмент проектирования, который дает нам уверенность в том, что, пытаясь масштабировать эту систему, мы сможем принимать рациональные решения о том, какими должны быть оптимальные размеры системы», — говорит Базант. «Мы уверены, что сможем побить рекорды по удельной мощности, если будем руководствоваться моделью».
Юрий Гогоци, профессор материаловедения и инженерии в Университете Дрекселя, говорит, что отказ от мембраны — это следующий шаг к масштабируемому и недорогому хранению энергии. По его словам, проект группы поможет инженерам лучше понять физику безмембранных систем.
«У вас не может быть недорогой системы хранения энергии путем накопления десятков тысяч отдельных маленьких ячеек, таких как батареи мобильного телефона или компьютера», — говорит Гогоци, который не участвовал в исследовании. «Как и любой новой технологии, батарее с ламинарным потоком потребуется время, чтобы доказать свою жизнеспособность. Это похоже на новорожденного ребенка — мы узнаем, для чего эта технология хороша, только через несколько лет».
По предварительным прогнозам Брафф и его коллеги подсчитали, что безмембранная проточная батарея может производить энергию стоимостью всего 100 долларов за киловатт-час — цель, которую, по оценке Министерства энергетики США, будет экономически привлекательной для коммунальных компаний.«Вы можете сделать так много для повышения эффективности энергосистемы, если сможете достичь такой точки затрат», — говорит Брафф. «Большинство систем легко на порядок выше, и никто никогда не строил ничего за такую цену».