Проточные аккумуляторы или батареи - относительно новый тип накопителей энергии. Они состоят из двух резервуаров, заполненных электролитом. В каждом из них - своё вещество: анолит (минус) и католит (плюс).
Камеры с жидкостями соединяет центральная часть (ядро) с двумя электродами, между которыми находится специальная мембрана.
Во время зарядки или разрядки, электролиты с помощью насосов заполняют ядро и начинают циркулировать по системе, запасая или высвобождая энергию в результате электрохимических реакций. Ионы проходят через мембрану, а электроны - через внешнюю цепь. Жидкости с растворёнными в них активными веществами при этом не перемешиваются.
ПРЕИМУЩЕСТВА
Проточные батареи считаются чем-то средним между обычными аккумуляторами и топливными элементами: их можно заряжать, подключив к электричеству, а можно просто заменить электролит на уже заряженный.
Размер ёмкости таких батарей напрямую зависит от количества электролита. Чем больше жидкости, тем больше энергии можно запасти. Количество резервуаров может быть практически любым. Масштаб батареи при этом также не ограничен (можно сделать размером с телефон, а можно - как футбольное поле).
В отличие от литиевых аккумуляторов, срок службы таких батарей может доходить до 20 лет без потери ёмкости, и это не предел.
ОСОБЕННОСТИ (или относительные недостатки)
Проточные батареи - не самая компактная и дешёвая технология, если речь идёт не о лабораторных экспериментах, а о реальном применении. Их безопасность и эффективность напрямую зависит от состава электролита. Сейчас в этом качестве широко используется ванадий. Его тяжело и дорого добывать, кроме того - он токсичен для человека и природы. Поэтому учёные ищут новые, доступные и экологичные материалы.
Из-за своих размеров и способности к хранению большого количества энергии основная область применения проточных батарей - системы хранения энергии для городских энергосетей или альтернативных источников. Случись непогода, авария или перегрузка - такие батареи могут обеспечить энергией весь дом или целый город. Им не страшны плохие погодные условия или заморозки.
Что касается мощности - её можно регулировать с помощью размера мембраны и/или электродов.
Во всяком случае, так считалось раньше.
ПРИЯТНЫЙ СЮПРИЗ
Исследователи одной из национальных лабораторий США работали как раз над такой батареей. 2 года назад они уже создали небольшой её прототип, используя материалы на основе углерода, водорода и кислорода.
Особенно хорошо себя показал флуоренон - органическое вещество, которое применяется в солнечных панелях, светодиодах, фармацевтике, для ароматизации свечей. Он недорогой и легко добывается из отходов промышленных производств.
Благодаря ему, проточная батарея смогла запасать больше энергии и стабильно отработала более 1000 циклов с потерей ёмкости менее 3%. Единственной проблемой была скорость реакции - заряд и разряд проходили довольно медленно по сравнению с теми же проточными батареями на основе ванадия.
“Чем больше, тем лучше!” - решили учёные и попытались растворить ещё больше флуоренона, чтобы ускорить процесс. Сделать это оказалось не так просто, и пришлось добавить сахарку. Точнее - его производное, β-циклодекстрин. Это безопасная пищевая добавка, получаемая из крахмала. Она способна улучшать растворимость плохорастворимых веществ.
Свою роль β-циклодекстрин выполнил хорошо. Но помимо этого, неожиданно для учёных, он значительно ускорил окислительно-восстановительную реакцию, попутно увеличив мощность батареи на рекордные 60%.
Оказалось, что сахар способен принимать положительно заряженные ионы (протоны), проходящие через мембрану аккумулятора. Это помогает сбалансировать и ускорить движение электронов во время разрядки.
ЧТО ДАЛЬШЕ?
Больше года учёные тестировали новую батарею без перерыва - больше года она исправно работала, показывая стабильные результаты. И это первое лабораторное исследование, демонстрирующее подобную долговечность с минимальной потерей ёмкости.
Конечно, “сахарный катализатор” оказал огромную услугу науке, продвинув исследование вперёд. Однако он сделал электролит гуще, что не очень хорошо для проточного аккумулятора.
Исследователи уже запатентовали новую технологию и начали эксперименты с другими веществами, похожими на β-циклодекстрин.
