Ставки на накопление энергии растут с каждым днем. Миру это нужно, и оно нужно дешево и срочно, учитывая все планы Европы, Азии и США по значительному увеличению количества возобновляемых источников энергии в структуре производства электроэнергии. В результате прорывы в технологиях хранения энергии стали более или менее обычным явлением. Последнее из этих достижений обещает решить две проблемы хранения энергии: цену и емкость.
Для этого в качестве электролитов в батарее используется морская вода вместо растворителей, которые намного дороже, но и менее безопасны, чем вода.
«Мировые потребности в энергии растут, но разработка электрохимических систем хранения энергии следующего поколения с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы остается технически сложной задачей», — говорит Ксэнсин Фэн, инженер-химик из Университета штата Орегон, который опубликовал результаты исследования.
«Водные батареи, в которых в качестве электролитов используются проводящие растворы на водной основе, являются новой и гораздо более безопасной альтернативой литий-ионным батареям. Но плотность энергии водных систем была сравнительно низкой, а также вода будет реагировать с литием, что еще больше затруднило широкое использование водных аккумуляторов».
Чтобы решить проблему плотности энергии, исследователи создали совершенно новый наноструктурированный сплав для анода своей водной батареи. Анод объединяет марганец, цинк и другие металлы. По словам Фэна, цинк увеличивал плотность энергии батареи, потому что он мог передавать в два раза больше зарядов, чем литий. Другие элементы анода повышали безопасность батареи, предотвращая образование дендритов, которые имеют тенденцию образовываться в перезаряженных литий-ионных батареях, что иногда приводит к самовозгоранию.
Ученые в Германии также работают над водными батареями, поскольку лаборатории по всему миру выходят за рамки ионов лития. Эта команда, однако, сосредоточилась на воздушно-цинковых батареях, которые имеют множество преимуществ, таких как плотность энергии и стабильность, но, к сожалению, не подлежат перезарядке.
По крайней мере, до сих пор они не были перезаряжаемыми.
Работая с учеными из Китая и США, исследователи из Вестфальского университета Вильгельма в Мюнстере разработали новый электролит для воздушно-цинковой батареи на основе морской воды, заменив обычно используемые щелочные растворы. Они также представили анод на основе соли цинка, который сделал батарею не только перезаряжаемой, но и достаточно прочной, потенциально способной конкурировать с литий-ионной батареей.
Обе батареи потребуют гораздо большей работы, прежде чем они выйдут из лаборатории и попадут на рынок. Так что, по крайней мере, на данный момент доминирование литий-ионных технологий обеспечено. Но этого нельзя будет гарантировать надолго, если будут продолжаться усилия по поиску более безопасных и, что, возможно, более важно, более дешевых альтернатив.
Только Соединенные Штаты планируют увеличить емкость накопителей энергии на целых 525 процентов к 2025 году. Системы хранения уже добавляются быстрыми темпами: объем, установленный в третьем квартале 2020 года, был на 240 процентов выше, чем объем, установленный в второй квартал, несмотря на бушующую пандемию.
В то же время существующей емкости хранения очень далеко не достаточно для обеспечения энергоснабжения сети более чем на час или два, что делает ее пригодной для замены пиковых электростанций, но не более того, особенно полной замены ископаемого топлива на солнечную энергию и энергию ветра. Для этого в сети потребуется достаточно накопленной электроэнергии, чтобы работать в течение многих часов в случае, если погодные условия будут мешать выработке электроэнергии на солнечных и ветровых электростанциях, что является частым явлением.
Аккумуляторы для коммунальных предприятий и аккумуляторы для электромобилей решат судьбу революции в области возобновляемых источников энергии практически в одиночку. Падение затрат на солнечные и ветряные технологии — это всегда хорошая новость, но без накопителей это падение не актуально в долгосрочной перспективе.
