Российские химики сконструировали прототип нового типа аккумуляторов. "Научная Россия". 17 января 2020

Сотрудники химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова в сотрудничестве с коллегами из Сколтеха создали первый в России прототип проточного окислительно-восстановительного аккумулятора. Такие аккумуляторы могут решить проблему накопления большого количества электроэнергии.
Ведущие страны мира всё больше энергии получают из возобновляемых источников. По мере развития "зеленой" энергетики возникла проблема эффективного хранения избыточной электроэнергии в пиковые периоды – в условиях сильного ветра или высокой солнечной активности – и ее последующего распределения с учетом текущей потребности потребителей. Привычные твердотельные батареи – свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы – обладают существенными недостатками. Так, батареи первого типа имеют крайне ограниченную ёмкость, к тому же они слишком объёмные и дорогие. Литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят для портативной электроники и для электромобилей, но склонность к перегреву делает их малопригодными для использования на крупных промышленных объектах.
Многообещающим решением проблемы могут стать проточные окислительно-восстановительные батареи — гигантские сооружения, в которых для хранения электроэнергии используют емкости с жидким электролитом. Жидкий электролит пропускают через ядро батареи, состоящее из положительной и отрицательной полуячеек, разделенных мембраной. Когда солнечные панели или ветрогенераторы производят электроэнергию, насосы прокачивают отработанный электролит через ячейки, где он заряжается в результате электрохимической реакции и возвращается обратно в емкость, в которой хранится. При возникновении потребности в электроэнергии через ячейку прокачивается заряженный электролит, который в ходе обратной реакции возвращает накопленную электроэнергию в сеть. Важное преимущество проточного аккумулятора – его емкость определяется исключительно объёмом резервуаров, а выходная мощность зависит от площади мембраны и количества ячеек, собранных в общую систему (стек). Проточные батареи не имеют жёстких ограничений и могут быть масштабированы для хранения очень большого количества энергии и передачи ее потребителю с исключительно высокой скоростью.
Сотрудники кафедры коллоидной химии МГУ под руководством доцента Евгения Карпушкина собрали первый в России лабораторный прототип проточного аккумулятора, электролитом которого стал раствор солей ванадия. Ионы ванадия циркулируют в двух полуячейках, на электродах которых происходит их окисление и восстановление. Главное преимущество ванадиевого проточного аккумулятора – в обеих частях аккумулятора находятся растворы солей одного металла. Ионы ванадия стабильны и могут долго циркулировать через ячейку без нежелательных побочных явлений. Недостатком является только относительно высокая стоимость ванадия – более 60 $ за один килограмм оксида ванадия (V).
"Темой проточных аккумуляторов почти не занимаются в России, хотя в мире это довольно раскрученная тема, – комментирует Евгений Карпушкин. – Поскольку никто в стране до нас не занимался этой темой, нам даже пришлось самим придумывать русский перевод английского названия технологии redox flow battery".
Российские химики занимаются поиском оптимального материала для мембран в проточных аккумуляторах. Мембрана должна быть селективной – через нее должны проходить только определенные ионы. Кроме того, она разделяет две очень разные по химическим свойствам системы – окислительную и восстановительную, поэтому должна быть исключительно химически стойкой. Мембраны в основном изготавливают из полимерных материалов, которые обладают подходящими механическими свойствами. Сами по себе полимеры не обладают высокой селективностью, их структуру необходимо изменять – "дырявить" ее, если мембрана вообще не пропускает ионы, или "зашивать", если каналы в ней слишком широкие. Последним способом сотрудники МГУ модифицировали промышленно изготавливаемую ионообменную мембрану Nafion с помощью хлорида полидиаллилдиметиламмония. Ученые не скрывают, что недостатком их патента является высокая стоимость исходного материала, и его модификация цену не снижает. Однако исследователи надеются, что их подход в модификации можно применить для более дешевых аналогов, что может привести к резкому изменению на рынке запасов электроэнергии.