Новая проточная батарея с полностью жидким железом для хранения энергии в сети

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США перепрофилировали обычное химическое вещество, используемое на водоочистных сооружениях, для крупномасштабного хранения энергии в новой конструкции батареи. Эта конструкция открывает путь к созданию безопасной, экономичной проточной батареи на водной основе, изготовленной из материалов, богатых на Земле. Это открывает еще один путь в стремлении включить в национальную электрическую сеть источники прерывистой энергии, такие как энергия ветра и солнца.

Исследователи сообщают в Природные коммуникации что их лабораторная батарея на основе железа продемонстрировала замечательную циклическую стабильность в течение тысячи последовательных циклов зарядки, сохраняя при этом 98,7% своей максимальной емкости. Для сравнения, предыдущие исследования аналогичных батарей на основе железа показали ухудшение зарядной емкости на два порядка выше при меньшем количестве циклов зарядки.

Проточные батареи на основе железа, предназначенные для крупномасштабного хранения энергии, существуют с 1980-х годов, и некоторые из них сейчас коммерчески доступны. Что отличает эту батарею, так это то, что она хранит энергию в уникальной жидкой химической формуле, которая сочетает в себе заряженное железо с жидким электролитом на основе фосфата с нейтральным pH или энергоносителем. Важно отметить, что это химическое вещество, называемое азотистым трифосфонатом, нитрилотриметилфосфоновой кислотой или NTMPA, коммерчески доступно в промышленных количествах, поскольку оно обычно используется для ингибирования коррозии на водоочистных сооружениях.

Фосфонаты, включая NTMPA, представляют собой широкое химическое семейство, основанное на элементе фосфоре. Многие фосфонаты хорошо растворяются в воде и представляют собой нетоксичные химические вещества, используемые, среди прочего, в удобрениях и моющих средствах.

«Мы искали электролит, который мог бы связывать и хранить заряженное железо в жидком комплексе при комнатной температуре и мягких условиях эксплуатации с нейтральным pH», — сказал старший автор Гошэн Ли, старший научный сотрудник PNNL, который руководит разработкой материалов для перезаряжаемых устройств хранения энергии. . «Мы заинтересованы в разработке материалов для батарей, которые имеются в изобилии на Земле и могут быть получены внутри страны».

Что такое проточная батарея?

Как следует из названия, проточные батареи состоят из двух камер, каждая из которых заполнена разной жидкостью. Батареи заряжаются посредством электрохимической реакции и сохраняют энергию в химических связях. При подключении к внешней цепи они выделяют энергию, которая может питать электрические устройства. В отличие от других обычных батарей, проточные батареи имеют два внешних резервуара с жидкостью, постоянно циркулирующей в них для подачи электролита, служащего «кровоснабжением» аккумуляторной системы. Чем больше резервуар для подачи электролита, тем больше энергии может хранить проточная батарея.

Проточные батареи могут служить резервными генераторами для электросети. Проточные батареи являются одним из ключевых столпов стратегии декарбонизации для хранения энергии из возобновляемых источников энергии. Их преимущество в том, что их можно построить в любом масштабе: от масштаба лабораторного стола, как в исследовании PNNL, до размера городского квартала.

В ближайшем будущем операторы сетей стремятся разместить аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) в городских или пригородных районах рядом с потребителями энергии. Часто градостроителям приходится решать проблемы безопасности потребителей. Указанный здесь тип проточной батареи на водной основе может помочь смягчить проблемы безопасности.

«Преимущество установки BESS, использующей химию, аналогичную той, которую мы разработали здесь, будет заключаться в работе в воде с нейтральным pH», — сказал Аарон Холлас, автор исследования и руководитель группы по материалам и системам для батарей PNNL. «Кроме того, в нашей системе используются коммерчески доступные реагенты, которые ранее не исследовались на предмет использования в проточных батареях».

Исследовательская группа сообщила, что их первоначальная конструкция может достигать плотности энергии, ключевой особенности конструкции, до 9 ватт-часов на литр (Втч/л). Для сравнения, коммерческие системы на основе ванадия более чем в два раза более энергоемки — 25 Втч/л. Батареи с более высокой плотностью энергии могут хранить больше энергии на меньшей площади, но систему, построенную из материалов, распространенных на Земле, можно масштабировать для обеспечения той же выходной энергии.

Будущее развитие водных окислительно-восстановительных батарей

«Наш следующий шаг — улучшить характеристики батареи, сосредоточив внимание на таких аспектах, как выходное напряжение и концентрация электролита, что поможет увеличить плотность энергии», — сказал Ли. «Наше выходное напряжение ниже, чем типичное выходное напряжение ванадиевой проточной батареи. Мы работаем над тем, чтобы улучшить это».

Исследователи PNNL планируют масштабировать эту и другие новые аккумуляторные технологии на новом объекте под названием Grid Storage Launchpad (GSL), который откроется в PNNL в 2024 году. GSL поможет ускорить разработку будущих технологий и стратегий проточных аккумуляторов, чтобы новые накопители энергии системы могут быть развернуты безопасно.