Солнце и ветер быстро меняют энергетический ландшафт, но если мы хотим реализовать весь потенциал этих непостоянных возобновляемых источников энергии, нам понадобятся безопасные и доступные батареи, способные ее хранить. В рамках усилий по решению проблемы долгосрочного хранения энергии инженеры Университета Висконсин-Мэдисон изобрели водорастворимую химическую добавку , которая улучшает производительность электрохимического накопителя, называемого бромидно-водной проточной батареей.
«Водные проточные батареи на основе бромида являются многообещающим решением, но с ними связано множество неприятных электрохимических проблем. Вот почему сегодня нет по-настоящему успешных продуктов на основе бромида», — говорит Патрик Салливан, окончивший Висконсинский университет в Мадисоне, получив докторскую степень по химии в 2023 году. «Однако наша одна добавка может решить так много разных проблем».
Салливан, аспирант Гёхун Чой и Давэй Фэн, доцент кафедры материаловедения и инженерии в UW–Madison, разработали добавку. Исследование было опубликовано 23 октября 2024 года в журнале Nature .
В настоящее время гигантские литий-ионные аккумуляторные батареи размером с тягач-прицеп хранят энергию для сети, но с техническими ограничениями. Литиевые батареи имеют проблемы безопасности из-за возможности возгораний и взрывов, а также сложной международной цепочки поставок.
Однако батареи с водным потоком могут сделать хранение в масштабе сетки более безопасным и дешевым. В этих батареях положительные и отрицательные жидкие электролиты циркулируют по электродам, которые разделены мембраной. Поскольку батареи используют ионы, растворенные в жидкости — воде, — они могут быть масштабируемыми, устойчивыми и безопасными.
Наиболее коммерчески зрелые проточные батареи основаны на ионах ванадия, которые, как и литий, дороги и труднодоступны. Однако другая версия этих проточных батарей основана на бромиде, дешевом, широкодоступном ионе, который ведет себя подобно ванадию — по крайней мере, на бумаге.
Однако на практике крошечные ионы брома вызывают всевозможные проблемы в проточных батареях. Они могут проходить через мембрану, разделяющую электроды, и это снижает эффективность батареи. Иногда ионы выпадают в осадок из электролита и образуют грязное масло, которое «опускается» на дно раствора. Иногда ионы также образуют токсичный бромный газ. Эти проблемы снижают практическую производительность и надежность.
Добавка, называемая комплексообразующим агентом, могла бы помочь. Чой решил найти добавку, которая улучшает производительность бромидных водных проточных батарей. Исследователи использовали молекулярный дизайн для разработки более 500 потенциальных органических молекул , которые они назвали «мягко-жесткими цвиттер-ионными ловушками». Они синтезировали и протестировали 13 из этих репрезентативных молекул в качестве потенциальных добавок для бромидных батарей.
Полученные многофункциональные добавки решают основные проблемы проточной батареи. Они инкапсулируют ионы брома, позволяя им оставаться водорастворимыми, и поскольку полученный комплекс теперь больше, они не могут пройти через мембрану. Ионы также «фазово-стабильны», что означает, что они не отделяются от водного электролита или не создают токсичный бромный газ.
Важно, что добавки значительно улучшают производительность проточной батареи, увеличивая эффективность и долговечность химической системы. «Наши устройства с добавкой работали без сбоев почти два месяца по сравнению с устройствами без нее, которые обычно выходят из строя в течение дня. Это важно, поскольку для хранения зеленой энергии вы хотите использовать ее в течение 10 или 20 лет», — говорит Фэн.
Команда планирует продолжить работу по совершенствованию. Чой будет изучать фундаментальную науку, лежащую в основе добавок для бромидных и йодидных проточных батарей, в то время как Салливан, который является генеральным директором Flux XII — дочерней компании по возобновляемым источникам энергии, которую он основал совместно с Фэном, — будет изучать коммерческую жизнеспособность добавки, которая уже была успешно произведена в промышленных реакциях в тоннажном масштабе.