Благодаря буму возобновляемых источников энергии ограничивающим фактором энергетической революции является не столько производство энергии, сколько ее хранение. Нужны более чистые и экологичные батареи, чтобы заряжать автомобили, электровелосипеды и другие устройства.
В будущем большая часть нашей энергии будет поступать из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер. Однако бывают периоды, когда не дует ветер и не светит солнце. Чтобы интегрировать возобновляемую энергию, полученную из прерывистых источников, таких как ветер и солнечная энергия, в электрические сети, необходимы крупномасштабные системы хранения электроэнергии (EES) для повышения надежности работы электрических систем.
Одним из важных средств достижения этого являются более качественные батареи. Если мы хотим питать запланированный парк электромобилей и мобильных устройств, нам также нужно огромное количество аккумуляторов.
Проблема в том, что даже у самых лучших аккумуляторов бывают проблемы.
Во-первых, в литий-ионных элементах в качестве ключевого компонента используется литий. Европа в настоящее время не имеет больших запасов лития, поэтому, пока здесь не начнется добыча, она будет зависеть от импорта из таких мест, как Австралия и Чили.
Во-вторых, литиевые батареи также дороги, имеют ограниченную емкость и теряют мощность после многократной зарядки.
Проект ASTRABAT исследует и разрабатывает новую архитектуру литий-ионных элементов с конструкцией полностью твердотельного электролита, подходящую для использования новых высокоэнергетических электродных материалов и массового производства.
ASTRABAT — это трехлетний европейский проект, запущенный в январе 2020 года. Он направлен на разработку оптимальных решений для литий-ионных аккумуляторов, в частности, для растущих потребностей рынка электромобилей.
Цель состоит в том, чтобы удовлетворить потребность Европы в безопасной, энергоемкой, устойчивой и востребованной на рынке батарее для экологичной мобильности, которую можно было бы производить в Европе в больших масштабах.
Традиционные литий-ионные батареи имеют анод и катод, а также жидкость, называемую электролитом. Проще говоря, когда батарея разряжается, электроны текут от анода к катоду в электролите и питают устройство, к которому она подключена. При зарядке аккумулятора этот процесс происходит в обратном порядке. Весь процесс представляет собой обратимую электрохимическую реакцию.
Существует множество вариаций этого основного процесса с участием различных химических веществ и ионов. Конкретным вариантом, который исследует проект ASTRABAT, является удаление жидкого электролита и замена его твердым веществом или гелем.
Гибридный электролит ASTRABAT будет основан на полимерах (ORMOCER и фторуглеродных полимерах) и неорганическом наполнителе и мембране (LLZO). Эти материалы будут использоваться в ячейках поколения 4a с использованием высоковольтных катодных материалов на основе оксида никеля, марганца и кобальта (NMC), таких как NMC622 и NMC811, и анода на основе кремния.
Все разработанные ячейки будут оценены в соответствии со стандартными протоколами безопасности, и будут выполнены сертификаты безопасности.
Для керамического материала LLZO ионная проводимость 0,4 мСм/см в диапазоне температур от 10°C до 50°C будет достигнута за счет легирования Al или Ta-легирования. Это должно позволить снизить рабочую температуру элемента и сделать электромобиль более эффективным.
Кроме того, оптимизированный ионный транспорт будет достигнут за счет адаптации перколяционных сетей электрод-электролит для уменьшения длины ионного пути. Это будет сделано за счет оптимизации состава электродов и разработки новых процессов для создания организованных электролитных структур.
Улучшение импеданса интерфейса электрод-электролит будет достигнуто за счет разработки неорганического покрытия на материале NMC, органического покрытия на LLZO и углеродного покрытия на кремнии.
Будут синтезированы различные размеры частиц активных электродных материалов, что будет способствовать лучшей гармонизации материала.
Короткий срок службы можно избежать благодаря материальным покрытиям на NMC, которые уменьшают снижение емкости, вызванное межфазной реактивностью материала электрода с электролитом.
Со стороны анода размер частиц Si и углеродное покрытие также являются источником улучшения стабильности электрода и уменьшения необратимости за счет образования границы твердого электролита.
Эти новые твердотельные аккумуляторные батареи будут иметь более высокую плотность энергии, что означает, что они могут питать устройства в течение более длительных периодов времени. Они также должны быть более безопасными и быстрыми в производстве, потому что, в отличие от типичных литий-ионных аккумуляторов, в них не будет использоваться легковоспламеняющийся жидкий электролит.
Проект HIGREEW (Доступные высокоэффективные проточные батареи Green REDox)
Проект HIGREEW создан дляпроектирования, разработки и проверки усовершенствованной проточной окислительно-восстановительной батареи на основе новых водорастворимых недорогих органических электролитов, совместимых с оптимизированной мембраной с низким сопротивлением и быстрой кинетикой электродов для высокой плотности энергии и длительного срока службы.
В рамках проекта HIGREEW планируется создать проточную батарею с окислительно-восстановительным потенциалом, в которой используется гораздо меньше токсичных материалов.
Когда речь идет о накоплении энергии с целью балансирования поставок в электрические сети, аккумуляторы должны быть надежными и емкими, а значит, дорогими. Однако учитывая дефицит лития — литий-ионные батареи это не лучший выбор. Вместо этого проект HIGREEW исследует другой тип батареи, известная как проточная окислительно-восстановительная батарея.
Основными компонентами проточных окислительно-восстановительных батарей являются две жидкости, одна из которых заряжена положительно, а другая - отрицательно.
Когда используется батарея, эти жидкости перекачиваются в камеру, известную как клеточный резервуар, где они разделены проницаемой мембраной и обмениваются электронами, создавая ток. Однако в этих существующих батареях используется ванадий, растворенный в серной кислоте, что является токсичным и коррозионным процессом.
Координатор проекта – химик д. Эдуардо Санчес из исследовательского центра CIC energiGUNE недалеко от Бильбао, Испания. Он объясняет, что в мире уже работает множество больших проточных окислительно-восстановительных батарей, которые рассчитаны на стабильную работу и срок службы около 20 лет.
В рамках проекта HIGREEW планируется создать проточную батарею с окислительно-восстановительным потенциалом, в которой используются гораздо менее токсичные материалы, такие как растворы солей в воде, содержащие ионы на основе углерода.
Санчес и его команда коллег работают над созданием наилучшего рецепта этой батареи, тестируя множество различных комбинаций солей и химических растворов, и видят большое будущее в использовании проточных окислительно-восстановительных батарей.