Нова концепція недорогих акумуляторів

Алюмінієво-сірчана батарея, виготовлена з дешевих матеріалів, що є в наявності, може забезпечити недороге резервне зберігання відновлюваних джерел енергії.
 

Оскільки світ будує все більші установки вітряних і сонячних енергетичних систем, швидко зростає потреба в економічних, великомасштабних резервних системах для забезпечення електроенергією, коли сонце заходить і повітря спокійне. Сучасні літій-іонні батареї все ще занадто дорогі для більшості подібних застосувань, а інші варіанти, такі як насосна гідросистема, вимагають специфічної топографії, яка не завжди доступна.
 

Тепер дослідники з Массачусетського технологічного інституту (МТІ) та інших країн розробили новий вид батареї, повністю виготовленої з недорогих матеріалів, що у великій наявності, яка може допомогти заповнити цю прогалину.
 

Нова архітектура батареї, яка використовує алюміній і сірку як два електродні матеріали, з розплавленим сольовим електролітом між ними, описана  в журналі Nature у статті проф. МТІ Дональда Садоуея (Donald Sadoway) разом із 15 іншими співробітниками із МТІ та Китаю, Канади, Кентуккі та Теннессі.
 

Окрім того, що літій-іонні батареї дорогі, вони містять легкозаймистий електроліт. Тож Садоуей почав вивчати періодичну таблицю Менделєєва, шукаючи дешеві, поширені на Землі метали, які могли б замінити літій. Домінуючий у комерційних цілях метал, залізо, не має відповідних електрохімічних властивостей для ефективної батареї. Але другим, після заліза, за поширеністю металом на ринку є алюміній. «Отже, добре, нехай це буде алюміній», – каже він.
 

Потім вирішували, з чим поєднати алюміній для іншого електрода, і який тип електроліту поставити між ними, щоб переносити іони. Найдешевшим з усіх неметалів є сірка, тому вона стала другим електродним матеріалом. Що стосується електроліту, то вони дослідили різні розплавлені солі, які мають відносно низьку температуру плавлення — близьку до точки кипіння води.

 
Три інгредієнти, які вони отримали, дешеві та легкодоступні — алюміній, нічим не відрізняється від фольги в супермаркеті; сірка, яка часто є відходами таких процесів, як переробка нафти; і широко доступні солі. «Інгредієнти дешеві, і річ безпечна — вона не горить», — каже Садоуей.


Дивно, але розплавлена сіль, яку команда обрала як електроліт просто через її низьку температуру плавлення, виявилася неочікуваною перевагою. Однією з найбільших проблем у надійності батареї є утворення дендритів, вузьких металевих шипів, які накопичуються на одному електроді та з часом розростаються, щоб контактувати з іншим електродом, спричиняючи коротке замикання та перешкоджаючи ефективності.


Хлоро-алюмінатна сіль, яку вони обрали, «по суті видаляла ці дендрити, а також дозволяла дуже швидко заряджатися», — каже Садоуей. Більше того, для підтримки робочої температури батареї не потрібне зовнішнє джерело тепла. Тепло утворюється електрохімічним шляхом під час заряджання та розряджання батареї.


Менший масштаб алюмінієво-сірчаних батарей також зробить їх практичними для використання, наприклад, для зарядних станцій для електромобілів, каже Садоуей. Він зазначає, що коли електричні транспортні засоби стають настільки поширеними на дорогах, що кілька автомобілів хочуть заряджати одночасно, як це відбувається сьогодні з бензиновими паливними насосами, «якщо ви спробуєте зробити це за допомогою акумуляторів і вам потрібна швидка зарядка, сила струму просто настільки висока, що ми не маємо такої сили струму в лінії, яка живить установку». Таким чином, наявність такої акумуляторної системи для накопичення енергії, а потім її швидкої віддачі, може усунути необхідність встановлення нових дорогих ліній електропередач для обслуговування цих зарядних пристроїв.


Чи може батарея на основі сірки створювати неприємні запахи, пов’язані з деякими формами сірки? Немає шансів, каже Садоуей, бо батарея герметична.  

 
До дослідницької групи входили члени Пекінського університету, Юньнаньського університету та Уханьського технологічного університету в Китаї; Університет Луїсвіля, штат Кентуккі; Університет Ватерлоо, Канада; Національна лабораторія Оук-Рідж, штат Теннессі; і MIT. Робота була підтримана Енергетичною ініціативою Массачусетського технологічного інституту, Центром технологічних інновацій Дешпанде Массачусетського технологічного інституту та ENN Group.

Три основні складові батареї: зліва - алюміній; в центрі, - сірка; праворуч — кристали кам’яної солі. Усі вони доступні всередині країни і не потребують глобального ланцюжка поставок

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI