Современная цивилизация не может существовать без энергии. В повседневной жизни мы используем удобную электроэнергию, которая передается по централизованным энергосетям. Но научное сообщество всё чаще напоминает о том, что энергосети работают не так эффективно, как могли бы, и призывает переходить на распределенную энергетику. Главный элемент в такой системе − большой накопитель, который запасает электроэнергию в большом объеме и потом выдает ее по мере необходимости как привычный для всех аккумулятор в телефонах. По этому же принципу работают проточные редокс-батареи, которые создают сотрудники РХТУ им. Д.И. Менделеева. В чем преимущество данного типа батарей и как они устроены? Рассказывает Михаил Петров.
Михаил Петров − кандидат физико-математических наук, заведующий научно-образовательной лабораторией «Электроактивные материалы и химические источники тока» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
− Михаил, прежде всего, расскажите об истории вашей лаборатории и ее главных задачах.
− Формально ее история началась летом 2020 года, но фактически она появилась гораздо раньше − в 2014 году. Тогда это была чисто научная лаборатория электроактивных материалов и электрохимической энергетики. Ее основали профессор Михаил Алексеевич Воротынцев и Юрий Вячеславович Толмачев. Именно поэтому лаборатория охватила сразу два направления, которыми занимались ее основатели − электрохимической энергетики и электроактивных материалов.
Тематика электроактивных материалов носила более фундаментальный характер. Сотрудники исследовали материалы, которые способны менять свои свойства под действием электрического тока. Вторая тематика, посвященная электрохимической энергетике, была как раз непосредственно связана с разработкой особых проточных батарей. Надо сказать, что существует множество типов проточных батарей. Но у профессора Воротынцева и Юрия Вячеславовича Толмачева появилась революционная идея создать такой тип батарей, который до этого никто не делал, и которая работала совершенно по-иному, а именно за счет автокаталитической реакции. Такая батарея могла быстро разряжаться, выдавая большую характерную мощность.
Постепенно лаборатория пополнялась новыми сотрудниками, в том числе молодыми учеными и студентами РХТУ. И естественным образом расширяла научные тематики, углубляясь в развитие проточных батарей.
В конце концов было принято решение переформатировать лабораторию, включив в нее образовательный компонент. Мы открыли магистратуру, посвященную смарт-энергосистемам. И теперь мы не только развиваем актуальное направление, но и преподаем, учим совсем юных и молодых сотрудников.
− Если говорить об энергетике, какие накопители энергии традиционно используются сегодня?
− Начну с того, что в целом накопители энергии стали использовать намного чаще. Ежегодно человечество производит и потребляет всё больше электрической энергии. При этом зазор между тем, сколько энергии производится одномоментно и сколько энергии необходимо в каждый конкретный момент времени, растет.
Сложно представить, что атомную электростанцию будут подстраивать под работу моего чайника или солнечную электростанцию под работу стиральной машины. Поэтому энергетика нуждается в накопителях энергии, где хранятся излишки, которые можно использовать в случае необходимости. Самый простой и понятный пример − литий-ионные аккумуляторы в наших телефонах. Мы можем их зарядить и пользоваться телефоном пару дней.
Все батареи или аккумуляторы представляют собой химические источники тока, в которых электричество запасается в виде химической энергии. Проще говоря, электричество поступает из внешней сети, запуская электрохимические реакции с определенными веществами. Электрическая энергия преобразовывается в химическую энергию при заряде, и наоборот − химическая энергия в электрическую при разряде. А работа аккумуляторной батареи носит циклический характер: разряд-заряд.
Но это не единственный способ хранения электрической энергии. Существуют суперконденсаторы, тепловые машины и механические системы, а также разные экзотические варианты в виде систем маховиков. А больше всего энергии в мире хранится в гидроаккумулирующих электростанциях, где она запасается за счет перепада высот.
Несмотря на разнообразие накопителей энергии доля химических источников тока – батарей и аккумуляторов – постоянно растет. И всё больше электричества хранится именно в аккумуляторах и батареях самого разного типа.
Порой я замечаю комментарии в интернете: «Неужели нельзя сделать такую батарейку, которая подходила бы для всего?» Универсальный аккумулятор, который быстро заряжается и выдерживает ежедневную подзарядку на протяжении нескольких лет. Чтобы подходил и для телефона, и для электромобиля, и других устройств.
Очевидный ответ – нет. Отмечу, что у каждого из типов батарей − топливных элементов, проточных батарей, литий-ионных аккумуляторных батарей, свинцово-кислотных, никель-кадмиевыех и других − есть свои плюсы, минусы и свои особенности. Увидеть разницу можно благодаря так называемой диаграмме Рагона. По оси Х откладывается удельная мощность батареи, а по оси Y – удельная емкость. Этот график указывает на то, как много энергии может запасти батарея массой в один килограмм, и как быстро она может накопленную энергию высвободить.
Скажем, литий-ионные аккумуляторы всегда считались золотой серединой. Они хороши по удельной мощности и достаточно много энергии запасают на единицу своего объема. Но существуют разные батареи, и каждая из них подходит для определенных приложений.
− В чем преимущество проточных батарей?
− Проточные редокс-батареи представляют собой некий гибрид, что-то среднее между аккумуляторной батареей и топливным элементом. Как правило, такая батарея состоит из трех частей. Во-первых, это сама батарея – мембранно-электродный блок, в котором происходят все электрохимические реакции. Во-вторых, есть два бака с топливом, которые хранятся отдельно от батареи. В любом химическом источнике тока всегда протекают две реакции – в одной что-то окисляется, а в другой восстанавливается. И в проточной батарее как раз есть два топлива, или, говоря более строго, электролита. Они непрерывно прокачиваются через мембранно-электродный блок, при этом один электролит окисляется, а другой восстанавливается. Именно поэтому батарея называется проточной.
А мембранно-электродный блок проточной батареи напоминает некий «сэндвич» из разных слоев. В одну часть подается одно топливо, а во вторую часть − другое. Соответственно, в одной части топливо окисляется, а в другой − восстанавливается. А сами части батареи отделены друг от друга полупроницаемой мембраной, которая не дает смешиваться двум электролитам между собой.
Один из главных плюсов проточной батареи – это ее долговечность. По некоторым оценкам цикл может проходить до 200 тысяч раз. Поэтому иногда проточные батареи называют вечными.
Конечно, это не так, ведь топливо деградирует, как и сама батарея. Нарушается герметичность, портятся электродные материалы, на которых протекает реакция. Но, тем не менее, ее ресурс достаточно высокий по сравнению со многими другими электрохимическими накопителями энергии.
Второе принципиальное преимущество состоит в том, что баки с топливом и мембранно-электродный блок монтируются отдельно друг от друга, то есть в разных корпусах. Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе все части собраны в одном корпусе. Поэтому емкость всегда сильно зависит от желаемой мощности.
При работе с проточной батареей вам легче менять параметры под определенные задачи. Если нужна более емкая батарея, достаточно использовать больше баков с топливом. Если нужна мощность, увеличивается мембранно-электродный блок, а размеры баков с топливом остаются такими же.
Но, как и у любой другой технологии, у проточных батарей есть и свои минусы. Один из них связан с преимуществом, о котором я говорил ранее. Топливные баки, которые установлены отдельно от батареи, достаточно много весят сами по себе. Поэтому удельная емкость проточной батареи (показатель того, сколько ватт-часов энергии может хранить один килограмм проточной батареи) значительно ниже, чем у литий-ионных или других типов батарей. Поэтому ее нельзя использовать в телефонах или легковых автомобилях. Правда, в последнее время появляются проекты для грузовых машин.
Другая очевидная особенность связана с насосами. Для их работы нужна энергия. Если батарея маленькая, она не сможет вырабатывать энергию для питания собственных насосов. Если батарея большая, то при выработке энергии появятся излишки. Поэтому редокс-батареи экономически выгодны только на больших масштабах, например, при использовании в качестве резервного источника питания на заводах или накопителя в больших энергосистемах. Например, солнечная электростанция днем будет заряжать редокс-батарею, которая ночью будет отдавать электричество во внешнюю сеть.
− Из каких материалов создаются проточные батареи?
− Начну с конструкции батареи. Для нас это главный повод для радости и гордости, ведь мы можем создавать прототипы батарей прямо в лаборатории. У нас есть комната, которую мы называем фаблабой. Здесь установлены разные станки с компьютерным управлением: фрезер, лазерные резаки, лазерные граверы, а также пресс и токарный станок. Поэтому мы можем просто закупать нужные листовые материалы и прямо у себя из них создавать самые разные батареи.
Внутри мембранно-электродного блока, как я уже отмечал, есть разные слои. Прежде всего, создаются обкладки из титана, алюминия и других металлов. Они обеспечивают герметичность батареи. В самой середине батареи установлена мембрана − полимерная пленка, напоминающая канцелярский файл для бумаг. Она пропускает протоны, но не пропускает воду и более крупные ионы, незаряженные молекулы.
Другая важная составляющая − электродные материалы, на которых проходят все химические реакции. Чаще всего мы используем углеродный войлок или, например, популярную в последнее время углеродную бумагу. Она действительно похожа на бумагу черного цвета с шероховатой поверхностью. Ее нарезают на лазере и вкладывают слой в батарею. Именно на этой бумаге проходит электрохимическая реакция: молекулы на поверхности окисляются или восстанавливаются. По сути, электроды и мембраны – ключевые детали батарей. Они же и самые дорогие.
Сам по себе процесс создания одной единичной ячейки проточной батареи нельзя назвать сложным. Достаточно приобрести необходимые материалы − электрод, мембрану, пластины для проточных полей – и собрать некий сэндвич из примерно 20 слоев, а потом соединить их с помощью обычных гаек и болтов. Установка герметизируется, а каналы, наполненные жидкостью, подключаются к насосу.
Сегодня в мире уже установлено порядка 200 проточных батарей. Их используют в Китае, Австралии и в Германии.
− Речь идет о больших установках?
− Верно. Мы говорим о емкости от десятков киловатт-часов до десятков или даже сотен мегаватт-часов. Это достаточно большие накопители энергии, которые занимают площадь размером с комнату или целый ангар. И, конечно, это не одна батарея, не одна единичная ячейка. Это некий комплекс, в котором много-много единичных ячеек проточных батарей соединены вместе.
Кстати, Китай обещает в скором времени открыть самую большую батарею в мире. Ее проектная емкость оценивается в 800 мегаватт-часов. Это сравнимо с энергией, которую потребляет 100 квартир многоэтажного дома за 1 год. Уже есть первые фотографии, на которых запечатлен огромный ангар размером с несколько футбольных полей.
− Расскажите подробнее о топливе для проточных батарей.
− Сегодня в основном используется топливо из растворов солей ванадия. Но сразу оговорюсь, что систем проточных батарей насчитывается как минимум несколько сотен. Соответственно, используются разные виды топлива и процессы его получения. В свое время в лаборатории мы начинали с водородо-броматной батареи. Соль брома вполне доступна, потому что запасов брома очень много, он дешевый. Поэтому и батареи были недорогими.
− Известно, что батареи взрываются, окисляются и деформируются. Если мы говорим о больших емкостях, то насколько безопасны проточные батареи?
− Данный вид батареи в чем-то безопасней, чем другие. Они не склонны к возгораниям. В них попросту нет тех соединений, которые могут вступить в такие реакции. Ванадиевая батарея не может нагреться и взорваться. Это основной плюс в плане безопасности.
Единственная существенная опасность заключается в возможной разгерметизации батареи, при которой топливо выйдет наружу. Если для ванадиевой батареи это не так страшно – батарея просто перестанет работать (при этом соли ванадия в слабо концентрированных растворах серной кислоты не сильно загрязнят всё вокруг), то для какой-нибудь бромной проточной батареи разгерметизация грозит загрязнением бромом, а это уже серьёзно.
− Сколько может работать такая огромная батарея, которая строится сейчас в Китае?
− Напомню, что проектная емкость составляет 800 мегаватт-часов. А мощность батареи – 200 мегаватт. Условно говоря, при полной зарядке она будет работать на максимальной мощности до 4 часов, а дальше потребуется подзарядка. Как много циклов перезаряда выдерживает проточная батарея – это уже отдельная история, которая определяется очень многими факторами. В целом, лучшие лабораторные образцы проточных батарей заряжаются и разряжаются до 200 тысяч раз. Но, разумеется, промышленные образцы деградируют быстрее. Но порядка 10 тысяч циклов им точно доступно. В целом, в индустрии проточные батареи работают примерно 10 лет.
Если говорить о ванадиевой батарее, то у нее есть одно весомое преимущество. Оба ее электролита – это соединения ванадия. Если топливо смешается, а это на самом деле происходит всегда и во всех проточных батареях или других химических источниках тока (потому что невозможно создать такую мембрану, которая бы строго пропускала только то, что нужно), то ничего страшного не произойдет. Разве что в батарее начнется разбалансировка, когда из-за перетекания топлива одна сторона запасает 100 ватт-часов, а другая – только 90. Чтобы решить такую проблему, специалисты используют метод ребалансировки. Грубо говоря, они сливают топливо, проводят специальные электрохимические реакции и вновь получают готовое топливо. Поэтому иногда ванадиевое топливо даже отдают в лизинг.
− А что насчет экологии? Даже обычные батарейки мы стараемся правильно утилизировать. Как будут утилизированы проточные батареи, в том числе единицы гигантских стеков?
− Насколько мне известно, этот вопрос пока не поднимался в научном сообществе. Прежде всего, потому что созданные проточные батареи до сих пор работают. Но в целом в их составе нет тяжелых токсичных металлов. Тот же ванадий – металл достаточно распространенный в земной коре, но при этом рассеянный. Плюс ко всему ванадиевое топливо не нужно утилизировать, поскольку его можно перезарядить и пустить в процесс заново. Углеродная бумага в составе самой батареи тоже не требует утилизации.
Поэтому пока вопрос экологичности остается открытым, ведь мы не затрагиваем более глубокие процессы производства всех компонентов проточной батареи.
− Поскольку направление достаточно новое, ясно, что существует ряд каких-то неразрешенных задач. Какие нужно решить в первую очередь?
− Расскажу на примере нашей лаборатории, ведь проблемные вопросы схожи в рамках мировой практики. Сейчас перед нами стоят 3 задачи. Первая – технологическая. Единичные ячейки проточных батарей с малой мощностью в 1-2 ватт работают достаточно хорошо. Они показывают хорошую удельную мощность и емкость. Но для работы в реальном мире их нужно масштабировать, то есть собирать ячейки в стеки, а сами стеки объединять в огромные системы. Поэтому сегодня сотрудники лаборатории нацелены на превращение маленьких ячеек в большие стеки с сохранением их высоких характеристик и эффективности работы. При этом увеличивая количество топлива для сохранения эффективности работы. Задача предельно утилитарная, но с ней связано множество фундаментальных вопросов.
Вторая задача как раз и связана с фундаментальными направлениями. Сегодня мы создаем разные проточные батареи: ванадиевую, водородо-броматную, с которой все начиналось, антрахинон-броматную (антрахинон – это уже органическое соединение). Для водородо-броматных батарей необходимо подобрать условия для запуска автокаталитической реакции, которая сама себя разгоняет. Помимо этого, бром представляет собой очень агрессивную среду, которая приводит к деградации электродных материалов, прокладок и прочего, от чего страдает герметизация. Поэтому сейчас мы ищем материалы, устойчивые к воздействию брома. В чем-то мы заново переизобретаем технологии старых мастеров. Поскольку в Советском Союзе похожий материал был известен и производился в промышленных масштабах.
Если говорить об антрахинон-броматных батареях, то встают вопросы синтеза. Хиноны – это вещества, по которым электроны передаются внутри многих живых организмов, в том числе и в нас. Внутри человека нет проводов, но и здесь проходят различные электрохимические реакции, когда электроны перепрыгивают с одной молекулы на другую. Похожие структуры используются и в наших батареях. И сейчас мы прежде всего ищем дешевый способ синтеза таких органических соединений для батарей, которые еще были бы и устойчивы в процессе долгой работы.
И третья задача связана с ванадием. Дело в том, что ванадий стремительно дорожает. Обычно его используют в разных сплавах, в том числе в качестве легирующей добавки к стали. Но недавно в Китае приняли декрет об использовании ванадиевой стали, в том числе, в строительстве. Соответственно, нужно искать способы получения ванадия и ванадиевого электролита. Сейчас большую часть ванадия добывают из отходов металлургических производств. Высказываются идеи получения этого металла из шламов ТЭЦ, поскольку в нефти и мазуте содержится много ванадия.
− Российский химико-технологический университет всегда ассоциировался со специалистами-химиками, технологами. Но вы здесь выступаете в роли физика. Как вы считаете, насколько в современной науке важна мультидисциплинарность, когда разные ученые работают в одной команде?
− В нашем случае наличие мультидисциплинарности диктуют сами научные задачи. В команде должны быть и химики, которые синтезируют нужные вещества и разрабатывают технологии для получения электролитов. Но не обойтись и без электрохимиков, которые разбираются в электрохимических реакциях, знают, какие взять материалы, условия, как их оптимизировать и так далее. Должны быть инженеры, создающие конструкцию батареи, знающие, как ее собрать, какие использовать материалы. И, конечно, должны быть физики, которые, например, решают задачи, связанные с моделированием проточных батарей. Ведь нельзя построить все варианты батарей. На это просто не хватит времени! Поэтому мультидисциплинарность – это единственная возможность создавать эффективную систему, которая хорошо работает сразу в нескольких областях.
