Помимо лития: альтернативные материалы для аккумуляторов

В то время как литий уже давно рекламируется как будущее передовых батарей, ограничения технологии и аварии на литиевых установках побудили производителей рассмотреть альтернативы для питания революции батареи.

Цинк

За последние семь лет 110 деревень в Африке и Азии получили энергию от батарей, которые используют цинк и кислород, основу системы хранения энергии, разработанной Аризонской компанией NantEnergy.

Обильные запасы цинка, фундаментальная стабильность и низкая стоимость делают его привлекательной альтернативой литию, но попытки сделать его коммерчески жизнеспособным в масштабах невелики. Система воздушно-цинковых батарей NantEnergy заменяет второй электрод на один который «дышит воздухом», используя кислород от атмосферы для того, чтобы извлечь энергию из цинка.

Согласно отчету, опубликованному Lux Research, «цинк-воздух — это хорошо подходящий химический состав для микросетей, обеспечивающий дешевое решение для накопления энергии. Проточные батареи изо всех сил стараются уменьшить размер до типичной микросети, а литий-ионные батареи не конкурируют по стоимости».

Важно отметить, что NantEnergy также разработала методику, позволяющую цинку сохранять свой заряд в течение длительных периодов времени, решая обычную проблему ограниченной повторяемости для цинковых и цинково-воздушных батарей. По мнению компании, этот метод может быть изготовлен на местном уровне без редких или дорогостоящих материалов, что снижает зависимость от импорта и способствует созданию рабочих мест и развитию местной экономики.

Цинк-воздушные батареи также не содержат токсичных соединений и не являются высокореактивными или легковоспламеняющимися, что позволяет их безопасно утилизировать.

Однако, хотя цинк является одним из самых распространенных металлов на Земле, использование его в масштабе в качестве альтернативы литию может создать проблемы в будущем.

Профессор химии Университета Южной Калифорнии Шри Нараян заявил газете New York Times: «При нынешних темпах производства цинка запасов цинка хватит примерно на 25 лет.”

«Таким образом, из имеющихся запасов неясно, будет ли у нас достаточно цинка, чтобы поддержать огромную потребность, которая возникнет в результате спроса на батареи.”

Натрий-сера

Натриево-серные аккумуляторы являются еще одной альтернативой литиевым и уже широко используются на объектах по всему миру.

В феврале 2019 года в Абу-Даби была установлена крупнейшая в мире аккумуляторная батарея, которая использует натриево-серные аккумуляторы. Это в пять раз больше, чем вторая по величине аккумуляторная батарея на 108 мегаватт (МВт)/ 648 мегаватт-часов (МВтч).

Натриево-серные батареи имеют более длительный срок службы, чем их литий-ионные аналоги, с продолжительностью жизни около 15 лет по сравнению с двумя или тремя годами, ожидаемыми от литиевых батарей. Натрий и сера также являются доступными и недорогими материалами, что смягчает одну из основных проблем с литиевыми батареями.

Однако при обращении с натрием и серой существуют риски, связанные с летучестью обоих реагентов. Жидкий натрий, вступающий в контакт с водой в атмосфере, представляет значительный риск из-за высокой экзотермической реакции, которая может стать взрывоопасной при работе в масштабе.

Заводы по производству натриево-серных аккумуляторов и установки, использующие их, стали причиной ряда пожаров, таких как пожар 2011 года на заводе в Цукубе в Японии, в результате которого производитель NGK временно приостановил производство своих натриево-серных аккумуляторов.

Еще одним недостатком натриево-серных аккумуляторов является высокая рабочая температура 300 °С, которая необходима для разжижения натрия. Эти высокие температуры могут повредить керамическую мембрану, разделяющую анодный и катодный компоненты батареи, а также могут усугубить летучесть реагентов в батареях.

Водородный топливный элемент

Водород рекламировался рядом энергетических компаний в качестве углеродно-нейтральной альтернативы сжиженному природному газу, а водородные топливные элементы также разрабатываются в качестве альтернативы традиционным литиевым батареям.

Водородные топливные элементы имеют отношение энергии к массе в десять раз больше, чем литиевые батареи, благодаря использованию водорода и кислорода в качестве реагентов. Это означает, что водородные топливные элементы могут быть легче и занимать меньше места, обеспечивая эквивалентную мощность литиевым батареям, экономя ресурсы.

Водород чрезвычайно распространен в атмосфере, что делает его привлекательной альтернативой материалам с ограниченным запасом, таким как литий или цинк.

Водородные топливные элементы также имеют больший диапазон, чем литиевые батареи, и производят только воду и тепло в рамках процесса производства энергии, представляя собой эффективный и углеродно-нейтральный источник энергии по сравнению с обычными батареями.

В то время как производственные процессы для батарей (и устройств, которые они питают) выделяют углекислый газ в атмосферу, этот эффект может быть смягчен путем включения процессов с использованием возобновляемых источников энергии. Водородные батареи также используют меньше углекислого газа для производства, чем литиевые батареи в силу того, что не требуют энергоемких усилий по добыче полезных ископаемых.

Однако водородные топливные элементы являются относительно новой технологией и имеют свои недостатки.

Как и натрий, водород легко воспламеняется и может реагировать взрывоопасно, если не обращаться с ним правильно. Замедление температуры топливных элементов важно для предотвращения летучих реакций, а также потому, что топливные элементы нуждаются в жидкой воде для работы в отличие от пара или льда.

Хранение водорода является дорогостоящим и энергоемким процессом, как в виде газа, так и в виде жидкости при низких температурах. Несмотря на свое обилие в атмосфере, водород также трудно и дорого производить и транспортировать, особенно в масштабе.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ