Дешева альтернатива літію: батарея працюватиме понад 16 років

Літій давно став синонімом сучасної акумуляторної технології - але й символом її головної вади.

Видобуток цього металу дорогий, географічно сконцентрований у кількох країнах (насамперед у Чилі, Австралії та Китаї) та екологічно небездоганний: тільки на видобуток однієї тонни літію витрачається до 2 мільйонів літрів води.

Саме тому дослідники по всьому світу шукають альтернативи - і китайські вчені з Інституту металів Китайської академії наук, схоже, зробили один із найпереконливіших кроків за останні роки.

Що розробили і чому це важливо

Їхня розробка - повністю залізна проточна батарея з унікальним електролітом, здатним витримувати тисячі циклів без деградації.

Проточна батарея відрізняється від звичайної тим, що енергія зберігається не в твердих електродах, а в рідкому електроліті, який циркулює через систему - як кров в організмі.

Це робить такі батареї ідеальними для великих стаціонарних установок: електростанцій, промислових об'єктів, сховищ енергії для цілих мікрорайонів.

Головний аргумент на користь заліза очевидний: воно коштує приблизно у 80 разів дешевше за літій.

Це робить нову систему потенційно революційним рішенням для промислового зберігання енергії - насамперед для згладжування нестабільності сонячної та вітрової генерації, яка виробляє струм лише тоді, коли світить сонце або дме вітер.

Чому залізні батареї досі не захопили ринок

Проте шлях залізних акумуляторів до ринку десятиліттями блокувала одна серйозна проблема: активні матеріали таких систем поступово зношуються та просочуються крізь мембрану - тонку перегородку всередині батареї.

Це різко скорочує реальний термін служби пристрою. Попри використання безпечних електролітів на водній основі, ця нестабільність утримувала технологію в статусі «перспективної, але непрактичної».

Як вчені вирішили проблему

Китайська команда розв'язала задачу на молекулярному рівні. Інженери переробили структуру залізного комплексу, застосувавши так званий «синергетичний дизайн» - подвійний захисний механізм, що працює одразу у двох площинах:

• Фізичний захист: жорстка та об'ємна будова молекули буквально екранує залізне ядро від хімічних атак ззовні - як броня;
• Електричний захист: сильний негативний заряд молекули створює своєрідне силове поле, що відштовхує частинки, схильні до витікання крізь мембрану.

Два рівні захисту разом дали результат, якого раніше досягти не вдавалося.

Результати випробувань

• 6000 повних циклів заряду-розряду без жодних ознак деградації. У перерахунку на реальне використання - це понад 16 років щоденної експлуатації. Для порівняння: сучасний літій-іонний акумулятор у смартфоні витримує 500–1000 циклів, тобто служить 2–3 роки;
• 99,4% ефективності захисту від витоків - майже бездоганний показник.
• 78,5% енергоефективності в умовах підвищеного навантаження;
• Система не утворювала шкідливих побічних продуктів чи осаду протягом усіх випробувань.

Результати дослідження опубліковані у фаховому виданні Advanced Energy Materials.

Що це означає для звичайних пристроїв

Безумовно, проточні батареї - це передусім масштабні стаціонарні системи для енергомереж і промисловості.

Проте прогрес у хімії залізних акумуляторів неминуче впливає і на суміжні технології. Уявіть, що батарея для ноутбука Asus чи будь-якого іншого пристрою служить не 2–3 роки, а понад десять - без просідання ємності й без заміни. 

Саме до цього можуть наблизити принципи молекулярного захисту, відпрацьовані на великих системах.

Що далі

Наразі китайські розробники продовжують оптимізацію технології з прицілом на комерційне застосування.

Головний виклик - подолати розрив між лабораторним прототипом і серійним продуктом, що зазвичай займає від 5 до 10 років.

Але якщо це вдасться, залізо може всерйоз потіснити літій у глобальній енергетичній архітектурі - принаймні там, де важливіша не компактність, а надійність і вартість.