Аккумуляторы с жидкими электродами

Называется она – жидкометаллический аккумулятор. Это новый тип энергонакопителя, изобретённый Дональдом Садовэем из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с группой студентов и докторантов.

Батарею как таковую изобрёл в 1800 году Алессандро Вольта. Она имела форму вертикального столба, состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанного кислотой. За 200 лет многое изменилось, но технологии, которая дала бы миру аккумулятор, способный удовлетворить все требования энергосистемы и иметь при этом низкую себестоимость, так и не появилось.

Дональд Садовэй понял, что проблема требует нетривиального решения:

«Давайте отложим в сторону подход по поиску самого прогрессивного химического соединения и его дальнейшего массового производства в целях снижения себестоимости нашего продукта. Давайте лучше приведём наше изобретение в соответствие с ценами на рынке электроэнергии. Получится, что некоторые элементы периодической таблицы нельзя использовать по определению. Наш аккумулятор должен состоять из элементов, которых много в природе. Как говорится, хочешь, чтобы что-то стоило дешевле пареной репы, сделай это из пареной репы. А ещё лучше, если репа выращена тут же по соседству. Нам нужно соорудить эту штуку с помощью простых технологий на производстве, которое не обойдётся нам в целое состояние».

В поисках свежих решений Садовэй обратился к областям науки, не связанным с проблемами хранения электричества. Как ни странно, но его внимание привлекла технология, не сохраняющая, а напротив, потребляющая электроэнергию в огромных количествах – производство алюминия.

Цех электролиза современного алюминиевого завода – это помещение размерами 15 на 800 метров. В нем находятся ряды электролизных ванн, очень похожих на батарею Вольта, но с тремя серьёзными отличиями. Батарея Вольта работает при комнатной температуре, внутри у неё твердые электроды, а электролитом служит водно-солевой раствор. Электролизер Холла-Эру, напротив, работает при столь высоких температурах, что полученный алюминий остается жидким. Электролитом служит расплавленная соль. И это сочетание жидкого металла, расплавленной соли и высокой температуры позволяет пропускать через него ток. Этим способом возможно получать чистый металл из руды по цене 50 центов за фунт, что можно считать экономическим чудом современной электрометаллургии. Это и привлекло внимание Садовэя:

«Я стал буквально одержим идеей создания батареи, которая использовала бы преимущества эффекта масштаба. И у меня получилось. Я создал полностью жидкую батарею: оба электрода из жидких металлов и расплавленная соль в качестве электролита. Сверху я поместил жидкий металл низкой плотности, снизу – жидкий металл высокой плотности, а между ними – расплавленная соль. Я хорошо помню тот момент, когда в поисках пары металлов, которые бы отвечали заданным параметрам – природное изобилие, различная, противоположная плотность и высокая взаимная реактивность, я вдруг понял, что нашёл решение проблемы. Магний – для верхнего слоя. И сурьма – для нижнего».

Чтобы создать электрический ток, магний отдаёт два электрона, превращаясь в ион магния, который затем проходит через электролит, получает два электрона сурьмы и, смешиваясь с ней, формирует сплав. Электроны при этом создают ток. Для зарядки аккумулятора к нему необходимо подключить источник питания, например, ветряную или солнечную электростанцию. Изменение направления тока заставляет магний разорвать сплав и вернуться к верхнему электроду, вернув батарею в исходное состояние. Ток, проходящий между электродами, производит достаточно тепла для поддержания нужной температуры.

Чтобы превратить теоретические и лабораторные наработки в действующий образец, Садовэю потребовалось собрать команду. Он не стал нанимать опытных специалистов, но привлек студента, обучил его, объяснил, как подойти и с какой стороны смотреть на проблему. А потом «отпустил поводок»:

«Дэвид был молод и умён, ему нужна была докторская степень, поэтому он стал собирать первый в мире жидкометаллический аккумулятор. Основываясь на первых обнадёживающих результатах, полученных Дэвидом и оплаченных из фондов MIT, мне удалось заручиться финансовой поддержкой частных и государственных инвесторов и продолжить исследования. Я смог расширить свою группу до 20 сотрудников: я собрал вместе аспирантов, докторантов и даже несколько студентов. Мне удалось привлечь к работе очень хороших ребят, которые разделяли мою страсть к науке и служению обществу, а не к науке и карьерному росту. И если вы спросите этих ребят, зачем они работают над жидкометаллическим аккумулятором, в их ответе вы услышите слова президента Кеннеди, сказанные в 1962-м на выступлении в университете Райса. Я возьму на себя смелость перефразировать: «Мы выбираем работу над накопителем для энергосистемы не потому, что это просто, а потому, что это трудно».

Группа Садовэя создала 400 одноваттных аккумуляторов, постоянно улучшая их производительность с помощью разных химических элементов. Попутно увеличивали и мощность. Сначала до 20 ватт в час, а затем и до 200. Технология показала себя надёжной и масштабируемой. Для ускорения разработок и вывода продукта на рынок исследовательской группой была создана компанию LMBC. Сегодня она производит аккумуляторы диаметром 40,5 см и мощностью в 1 киловатт-час – это в 1000 раз мощнее первого созданного элемента. В ближайшее время планируется выпуск элемента мощностью в 4 киловатт-часа и диаметром в 90 см. Такие элементы можно собирать в модули, а модули – в один гигантский аккумулятор, помещающийся в 12-метровый контейнер для перевозки, установки и введения в эксплуатацию. Расчётная мощность этого аккумулятора – 2 мегаватт-часа. Этого количества энергии достаточно для удовлетворения повседневных электрических нужд 200 американских семей. И такой энергонакопитель совершенно бесшумен, не загрязняет атмосферу, не содержит подвижных частей, управляется на расстоянии и разработан с учётом рыночной цены без субсидий.

Подводя некоторые итоги проделанной работы, Садовэй отмечает:

«Разрешите мне поделиться с вами некоторыми сюрпризами и неординарными идеями. Их не заметишь невооружённым взглядом. Температура: здравый смысл подсказывает держать её низкой, приближенной к комнатной температуре, и установить систему контроля за её поддержанием. Избегать бесконтрольного роста температуры. Жидкометаллический аккумулятор может работать при высоких температурах с минимальным контролем. Он может выдерживать большие температурные скачки, возникающие из-за перепадов напряжения. Масштабируемость: здравый смысл подсказывает сокращать себестоимость за счёт увеличения производства. Жидкометаллический аккумулятор устроен так, что его стоимость будет низкой при небольших объёмах производства, но сами аккумуляторы будут больше. И наконец, кадровый вопрос: здравый смысл подсказывает привлекать к работе экспертов, опытных профессионалов в вопросах устройства аккумуляторов, несущих с собой широкие знания и опыт. Для разработки жидкометаллического аккумулятора я взял на работу студентов и докторантов и обучил их. От моего аккумулятора я старался добиться максимального электрического потенциала. В моих учениках я старался максимально реализовать потенциал человеческий. Поэтому история жидкометаллического аккумулятора – это не просто рассказ о новом техническом изобретении, это руководство по становлению изобретателей в полном спектре».

Комментарий Валерия Гальетова — сертифицированного специалиста по ТРИЗ

Достаточно редкий для обозрения материал – запись выступления настоящего инноватора Дональда Садовэя. Он не стал раскрывать всех тонкостей проекта, но и сказанного достаточно, чтобы найти закономерные шаги, на которые можно опираться и которым стоит следовать. Давайте проследим путь автора изобретения через призму ТРИЗ.

Как же нужно мыслить, создавая новое?

Автор изобретения начал с определения потребительских свойств и самой важной характеристики – цены готового изделия. И этот прием каждый инноватор может взять себе на вооружение. При этом Садовэй сменил чисто научный подход «поиск самого прогрессивного химического соединения» на экономический: «новация должна быть предельно дешевой!». Поэтому поставленная задача, в ее конечной формулировке, звучала так: «Создать устройство хранения электрической энергии на основе дешевых элементов и простой технологии».

При выработке решения Садовэй руководствовался анализом аналогов и прототипов – устройств, выполняющих близкие функции. Это путь заимствования, при котором исследуются способы решения близких проблем в других сферах. Такой подход является достаточно результативным и часто используется изобретателями. Но с точки зрения ТРИЗ он слишком затратен по времени. В данном конкретном случае поиск свежего решения занял шесть лет, и это при неблагоприятном стечении обстоятельств могло бы стать непозволительной роскошью.

Поэтому ТРИЗ отдает предпочтение другому методу – развитию системного мышления и управляемого воображения. Эти качества, опираясь на стандарты теории решения изобретательских задач, позволяют «построить» образ, модель искомого устройства у себя в голове (в результате мысленного эксперимента) и ответить на вопросы: «как действует?» и «из чего состоит?».

Среди «77 стандартов» ТРИЗа, направленных на повышение эффективности различных устройств, есть класс «Развитие вепольных систем». Батарею Вольта, как и любой другой аккумулятор, можно смоделировать веполем (ВЕ-щество + ПОЛе): два вещества – электрод, электролит и поле между ними.

Вот одно из направлений решения имеющейся задачи, предлагаемых стандартом: «2.2.2. Дробление инструмента. Если дана вепольная система, то ее эффективность можно повысить путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента».

Рабочий орган аккумулятора – электрод. Стандарт рекомендует: дробите, следуя тенденции: твердое тело, частицы, порошок, гель, ЖИДКОСТЬ, газ, поле. То есть, понимая тенденции развития рабочего органа системы, изобретатель мог бы найти решение, фактически не выходя из дома.

Но вернемся к нашему инноватору. В электролизере он усмотрел несколько подсказок.

Первая – это структура устройства, подобная аккумулятору: два электрода и электролит. Вторая подсказка – расплавленная соль вместо водно-солевого раствора. И третья – настолько высокая температура, что электроды и электролит поддерживаются в жидком состоянии. Преодоление явления, называемого в ТРИЗе психологической инерцией, безусловно, – огромное достижение Садовэя. Чтобы вместо твердых электродов вообразить жидкометаллические, нужна смелость мысли, доступная не каждому фантасту.

О следующем этапе – выборе подходящих металлов – изобретатель рассказывает мало. Можно предположить, что здесь он, скорее всего, двигался по пути проб и ошибок, проводя опыты с разными сочетаниями химических элементов. Но ТРИЗ и здесь предлагает альтернативу – морфологическую матрицу, составленную на основании таблицы Д.И.Менделеева. Этот прием помогает всегда, когда требуется выбрать решение из числа известных вариантов с разными параметрами.

После создания концепции устройства нужно было собрать опытный образец для проверки работоспособности идеи. Важные вопросы – «кому доверить его создание?» и «где взять «решающие всё» кадры?». Здесь Садовэй также нашел нестандартное решение. Он стал учить студента, передавая ему свое видение проблемы. А потом, выражаясь его словами – «отпустил поводок». Доверился разумности ученика, проявив и собственную разумность.

И, как часто бывает, молодежь не подвела.

Основываясь на результатах Дэвида, Дональд Садовэй получил поддержку инвесторов и продолжил исследования. Он увеличил группу до 20 человек, включив в нее аспирантов, докторантов и студентов. И это типовое правило, которое можно использовать всегда: привлекайте к новой работе молодых – тех, кто разделяет вашу страсть к новому.

Пожалуй, это можно вынести и в качестве основного урока из данной истории. От аккумулятора изобретатель добивался максимального электрического потенциала, а в своих учениках старался максимально реализовать потенциал человеческий. Потому история изобретения жидкометаллического аккумулятора представляется не только и не столько как рассказ о техническом изобретении, сколько как руководство по становлению изобретателей.

Пожелаем Дональду Садовэю успехов на этом пути и двинемся своим, используя ТРИЗ.

Фото: из архвивов Дональда Садовэя

Подписаться на новыe материалы можно здесь: Фейсбук ВКонтакте

Источник

Проточные аккумуляторы — устройство, принцип работы, перспективы использования

Проточные аккумуляторы — аккумуляторы нового типа, представляющие собой накопители электрической энергии, отличающиеся по конструкции от традиционных аккумуляторов. В проточном аккумуляторе жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.

Принципиально электролит такой батареи представляет собой раствор металлических солей, способный переносить положительный и отрицательный заряды. В процессе прокачки электролита через разделенный мембраной резервуар, положительный и отрицательный электрод обеспечивают ионный обмен с электролитом и генерацию электричества в ходе окислительно-восстановительных реакций.

В качестве электролита для проточных аккумуляторов хорошо подходит раствор серной кислоты и ванадиевой соли, тогда как электроды изготавливаются из графита (ванадиевый проточный аккумулятор).

Суть в том, что ванадий, 23-й элемент периодической таблицы Менделеева, относится к тем немногим активным веществам, с которыми эрозию можно держать под контролем. Сегодня исследователи ищут менее дорогостоящие вещества, которые позволили бы сделать технологию проточных аккумуляторов широко доступной и недорогой.

Проточные аккумуляторы приводятся в действие минимум — двумя мощными насосами, позволяющими получать емкости 20 кВт · ч и более. Количество жизненных циклов заряда/разряда может в принципе доходить здесь до 10000, что эквивалентно 20 годам интенсивного использования таких батарей.

Одна ячейка способна производить разность потенциалов от 1,15 до 1,55 вольт. Как и в любой другой системе батарей, для получения нужного уровня напряжения на клеммах, достаточно соединить несколько таких ячеек последовательно.

Удельная энергоемкость проточного аккумулятора на основе соли ванадия составляет около 40 Вт · ч/кг, то есть аккумулятор на 20 кВт · ч будет весить полтонны, приблизительно как свинцово-кислотный аккумулятор аналогичной емкости. Но жить проточный аккумулятор будет дольше, что делает его пригодным для хранения электрической энергии в больших количествах. Однако скорость потребления энергии должна оставаться умеренной.

Электролит проточного аккумулятора физически распределен оп двум резервуарам (анодный и катодный резервуары — для анодной и катодной частей электролита), размер которых для аккумуляторов разной емкости может варьироваться. При необходимости замены ячеек на новые, допускается повторное использование электролита, что приводит к существенной экономии материалов.

Самая же уязвимая часть проточного аккумулятора — мембрана в центре ячейки, отделяющая друг от друга соответствующие полуячейки. Проблема в том, что мембрана со временем корродирует (испытывает разрушительную коррозию), поэтому к электролиту добавляют специальные примеси, замедляющие коррозию мембраны.

Итак, когда электролит через полуячейки прокачивается насосами в одном направлении — на электродах аккумулятора вырабатывается электричество, а когда аккумулятор необходимо зарядить, — направление прокачки электролита насосами изменяется на противоположное, то есть насосы при заряде и разряде качают электролит в разные стороны. Главное здесь — обеспечить необходимый объем ванадиевой соли.

Наибольшие запасы ванадия на планете принадлежат Китаю, России и ЮАР. Однако основная область его промышленного применения сегодня (90%) — изготовление сплавов на основе стали.

Тем не менее тенденция к использованию ванадия в чистой энергетике уже намечается, ведь это позволит создавать аккумуляторы большой емкости, по характеристикам превосходящие литиевые, при том вдвое более дешевые. Стандартизированные проточные аккумуляторы на мощность 250 кВт могут собираться в батареи необходимой емкости вплоть до огромных.

Самые первые проточные аккумуляторы строились по запатентованной в 1954 году технологии, где в качестве электролита выступал хлорид титана. Технология же на основе ванадиевого электролита была разработана позже — в 1986 году, в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса, и получила название «редокс» — Reduction-Oxidation.

Россия пока лишь отрабатывает технологию проточных аккумуляторов в условиях лаборатории — исследует режимы и характеристики, изучает реальный потенциал системы.

Конечно, концепция остается стандартной: окислительно-восстановительная батарея с парой емкостей для жидкого электролита, который пропускается одновременно через положительную и отрицательную полуячейки, разделенные мембраной. При движении в одну сторону, электролит заряжается, а при движении в противоположную сторону — отдает накопленную энергию.

Объемы резервуаров варьируют, изменяя таким образом емкость аккумулятора, а для повышения токовых характеристик — увеличивают площадь мембраны между полуячейками, что позволяет повысить предельно допустимую скорость передачи энергии через батарею.

Хотя тема проточных аккумуляторов давно набирает популярность в мире, в России ей пока не очень активно занимаются, лаборатория Сколтеха, на начало 2020 года, была единственной.

Сейчас выявлен основной минус технологии — высокая стоимость ванадия — больше 60 долларов за килограмм оксида. Кроме того исследователи ищут более оптимальный материал для мембраны: этот недорогой материал должен уметь пропускать лишь определённые ионы, при этом быть химически стойким.

Справедливости ради отметим, что еще в 1996 году японцы уже использовали у себя в стране подобные проточные аккумуляторы общей мощностью более 100 кВт. Сегодня уже можно говорить о достижимых мощностях в десятки мегаватт.

По сей день такие системы применяются в Японии для стабилизации частоты переменного тока с номинальной мощностью в 60 мегаватт. Таким образом, уже сейчас перспективы проточных аккумуляторов вполне очевидны. Они хорошо подойдут для хранения электрической энергии в больших объемах, остается довести технологию до совершенства.

Источник