Ограниченность ресурсов сырой нефти и быстрое истощение запасов ископаемого топлива требуют от общества перехода к использованию устойчивых и чистых источников энергии для производства электричества и энергии для различных применений.
Большое потребление ископаемого топлива также негативно влияет на окружающую среду, вызывая парниковый эффект, изменение климата, выбросы вредных газов и токсичных химикатов.
Переход на возобновляемые источники энергии позволяет экономить невозобновляемые ресурсы и вырабатывать энергию на месте, избегая транспортировки топлива.
За последние два десятилетия производство устойчивой энергии и разработка электромобилей с низким уровнем выбросов CO2 выросли в геометрической прогрессии.
Однако прерывистость устойчивых источников энергии, таких как ветер, вода, приливы и солнце, требует создания систем хранения энергии для обеспечения надежного, эффективного, доступного и непрерывного энергоснабжения.
Системы хранения энергии способствуют эффективному производству, распределению и потреблению как ископаемого топлива, так и устойчивых источников энергии.
В настоящее время системы хранения энергии используются в различных областях и подразделяются на четыре класса:
- химические,
- электрические,
- механические,
- электрохимические.
Эти системы необходимы для рекуперации отработанного тепла, смещения пиковой нагрузки, содействия генераторам солнечной, ветровой и гидроэнергии, а также обеспечения энергией портативных электронных устройств.
Среди них электрохимические системы хранения энергии продемонстрировали выдающийся потенциал, начиная от питания портативной электроники до электрификации транспортного сектора.
Это объясняется их преимуществами, такими как длительная цикличность, высокая энергоэффективность и низкая стоимость обслуживания. Кроме того, они могут быть реализованы с использованием различных механизмов, основанных на изобилии, устойчивости, дешевизне, экологичности и возможности вторичной переработки материалов.
Электрохимические системы хранения энергии напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую, минуя промежуточные этапы, как на тепловых электростанциях. Среди них выделяются аккумуляторные батареи и суперконденсаторы.
В электрохимических системах хранения энергии электрическая энергия накапливается либо за счет фарадеевских, либо за счет нефарадеевских процессов.
В фарадеевском процессе энергия накапливается путем преобразования в доступную химическую энергию, что приводит к окислительно-восстановительным реакциям электроактивных материалов и обратимо высвобождает энергию по требованию. Обычно к фарадеевским системам относятся аккумуляторы и псевдоконденсаторы.
Нефарадеевские технологии хранения электроэнергии, такие как электрический двухслойный конденсатор (Electric double-layer capacitor, EDLC), основаны на электростатическом принципе. Эти устройства имеют 100% эффективность, обладают длительным сроком службы, но обеспечивают низкую плотность энергии с ограниченным временем разряда.
Псевдоконденсаторы — это тип электрохимических конденсаторов, которые сочетают в себе свойства суперконденсаторов и аккумуляторных батарей. Они используют фарадеевские процессы для накопления энергии, что позволяет им достигать более высокой плотности энергии по сравнению с традиционными суперконденсаторами.
Основное отличие псевдоконденсаторов от обычных суперконденсаторов заключается в механизме накопления энергии. В то время как суперконденсаторы накапливают энергию за счет электростатического эффекта в двойном электрическом слое, псевдоконденсаторы используют электрохимические реакции, такие как окислительно-восстановительные реакции, для накопления энергии. Это позволяет им хранить больше энергии на единицу массы или объема.
Поскольку производство, преобразование и хранение энергии зависят от используемых материалов, прогресс в области технологий электрохимических систем хранения энергии в основном связан с разработкой и инновациями в области материалов для этих систем.
За последние несколько десятилетий многие исследователи сосредоточились на разработке электродных материалов и улучшении характеристик систем хранения энергии, чтобы удовлетворить более высокие требования к будущим системам — от портативной электроники до крупногабаритного промышленного оборудования.
Эти достижения способствуют повышению эффективности и надежности систем хранения энергии, что, в свою очередь, открывает новые возможности для их применения в различных областях, таких как возобновляемые источники энергии, электромобили и интеллектуальные энергосети.
Электродные материалы в аккумуляторах играют ключевую роль в процессе хранения и высвобождения энергии. Они должны обладать высокой электропроводностью, химической стабильностью и способностью выдерживать многократные циклы зарядки и разрядки без значительной деградации.
Основное внимание уделяется достижению высокой плотности мощности (ватт на единицу массы/объема электрода), плотности энергии (ватт-часов на единицу массы/объема электродов), низкой стоимости (измеряемой в расчете на единицу емкости батареи), длительного срока службы (5-10 лет), минимальному воздействию на окружающую среду и широкому диапазону рабочих температур накопителей энергии.
Основной проблемой для электрохимических систем хранения энергии является определение идеального электроактивного материала, который должен удовлетворять требованиям как длительного срока службы, так и высокой плотности энергии/мощности.
Для улучшения характеристик таких систем были предложены различные стратегии, такие как модификация морфологии, уменьшение размера частиц, анизотропный рост, поверхностная функционализация, контроль пористости и формирование гибридных материалов.
Внедрение наноразмерных свойств в новую эру устройств электрохимических систем хранения энергии стирает различия между суперконденсаторами и аккумуляторными батареями. Однако повышение энергетических характеристик батарей до уровня суперконденсаторов или увеличение энергосодержания суперконденсаторов до уровня батарей обычно происходит за счет потерь мощности или срока службы.
Смотрите дальше:
Перспективные технологии накопления и хранения энергии с использованием аккумуляторов
Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES)
Андрей Повный