Человечество пользуется энергией в разных формах. Для бытовых и многих других применений наиболее удобна электроэнергия, которая передается благодаря централизованным энергосетям. Однако работают они не так эффективно, как могли бы. Поэтому человечество переходит к так называемой распределенной энергетике, основным элементом которой является большой стационарный накопитель электроэнергии. Он может накопить электроэнергию в большом объеме и потом выдавать ее по мере необходимости.

Мы все прекрасно знаем, как работает аккумулятор в мобильных телефонах: он накапливает электроэнергию и возвращает. То же самое делают проточные редокс-батареи, только они в несколько тысяч раз мощнее.

Представим себе, что нам нужно запасти электроэнергию для целого дома. Тогда мы берем аккумулятор нашего мобильного телефона и умножаем его, допустим, на 1000. Соответственно, его стоимость тоже увеличится в 1000 раз. И та цена, которую мы получим за объем энергии, хранящийся в аккумуляторе и умноженный в 1000 раз, будет совершенно неприемлемой с точки зрения экономики.

Этот параметр нужно как-то оптимизировать. Нужно использовать устройство, которое будет либо работать дольше, чем аккумулятор в мобильном телефоне, либо будет сделано из более дешевых комплектующих. Поэтому для таких задач редокс-батареи подходят лучше.

Устройство редокс-батарей

Есть три типа источников энергии: портативные (для каких-то носимых устройств), мобильные (которые ездят на колесиках) и стационарные (которые накапливают большие объемы энергии и никуда не перемещаются). И в зависимости от типа меняется плотность энергии. Для портативных и мобильных приложений она очень важна, а для стационарных незначительна. У редокс-батарей, как у преимущественно стационарных накопителей, этот параметр заметно хуже, чем у тех же литийионных аккумуляторов.

Главное отличие редокс-батареи от аккумулятора в том, что аккумулятор — единый корпус, в котором сразу содержатся и вещества, рождающие электроэнергию, и электроды, с помощью которых это происходит. Проточная редокс-батарея позволяет отдельно вынести модуль, преобразующий энергию химических веществ в электроэнергию, и отдельно резервуары, в которых электроэнергия в виде химических веществ будет храниться. И то и другое можно менять по размерам независимо друг от друга. Соответственно, если нужно, чтобы у устройства, которое запасает энергию, выросла мощность, а емкость осталась на прежнем уровне или наоборот, то это возможно только в случае с проточными редокс-батареями. В них есть отдельный модуль, преобразующий энергию веществ, и отдельные резервуары, которые хранят вещества. Эти вещества находятся в жидком состоянии и подаются в блок с помощью насоса.

Предположим, горит одна лампочка, и мы хотим, чтобы она работала от батарейки не один день, а один год. Мощность нам менять при этом не нужно. Если решать эту задачу при помощи батареек, то надо поставить много батареек, которых хватит на год. В таком случае мы увеличиваем мощность для нашей лампочки. Во-первых, нам не нужна такая мощность, во-вторых, нам придется за такую мощность больше заплатить. В редокс-батарейках же достаточно оставить тот же разрядный блок по площади и просто добавить больше жидкости.

Использование редокс-батарей

Сейчас проточные батареи очень большой мощности используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями. Однако в России по практическому применению редокс-батарей мы пока отстаем, потому что можем использовать другие источники электроэнергии.

Благодаря новым разработкам, которые повышают плотность хранимой энергии, редокс-батареи приближаются к использованию мобильных источников. То есть, возможно, когда-нибудь мы будем использовать редокс-батареи в автотранспорте.

Самые распространенные редокс-батареи — это ванадиевые батареи. Сейчас там используется концентрация раствора 1–2 моль/л. Эффективность таких электролитов по величине хранимой энергии на два порядка меньше, чем у жидкого топлива (бензина). Соответственно, нужно работать над тем, чтобы концентрация раствора стала не 2 моль/л, а, например, 10 моль/л. Правда, для этого придется использовать какие-то другие вещества.

Еще один фактор, который нужно оптимизировать, — это разность стандартных электродных потенциалов между восстановителем и окислителем. Потому как чем она больше, тем больше энергии мы можем сохранить при той же концентрации. Соответственно, для того, чтобы повысить эту разность потенциалов, нужно варьировать природу окислителя и природу восстановителя.

Еще очень важный параметр — температурная стабильность. Концентрированных растворов, которые при температуре от +40 до -60 °C никак не меняют свою форму, очень мало. В стационарном хранении энергии эта проблема решается автоматически, потому что стационарный накопитель электроэнергии — это здание. В помещениях можно предусмотреть систему регуляции температуры. Однако для перехода к мобильным приложениям, конечно, температурный диапазон у редокс-батарей будет играть большую роль, и пока он не так хорош, как нам хотелось бы. Сейчас такие батареи выдерживают температуру не ниже -30 °C.

Деградация редокс-батарей

Деградация редокс-батарей обусловлена тем, что элементы, из которых они сделаны, могут коррозировать. Жидкий электроактивный компонент в процессе заряжения и разряда батарейки не претерпевает изменений, способных вывести батарею из строя. Единственное, что может произойти, — это так называемая разбалансировка. Потому что в процессе функционирования растворы окислителя и восстановителя разделены мембраной. И рано или поздно компоненты одного электролита проникают в другой. Когда глубина смешения этих электролитов становится достаточно большой, необходимо снова собрать жидкости в одном баке и заново разделить.

У аккумуляторов с твердотельным компонентом это, конечно, не так. Именно поэтому редокс-батареи в стационарном хранении энергии по экономическим показателям выходят на лидирующую позицию. Срок службы ванадиевой редокс-батареи составляет десятки лет — это десятки тысяч циклов заряда-разряда. Сами циклы можно варьировать: если сделать большой бак и маленький разрядный блок, то один цикл займет очень большое время; если же, наоборот, бак будет маленьким, а разрядный блок большим, то цикл будет всего несколько часов или минут.

Преимущества редокс-батарей

Первое преимущество — независимое варьирование мощности и емкости. Второе — долгий срок службы, так как нет физических основ деградации материалов. Непосредственно из этого вытекают их экономические характеристики, потому что срок службы очень большой. Один из основных экономических показателей — стоимость на жизненном цикле. Соответственно, чем больше жизненный цикл, тем меньше получается стоимость энергии, хранимой в течение жизненного цикла. КПД редокс-батарей достаточно высок, около 70–80%. Его тоже можно варьировать в зависимости от нужд.

Недостатки редокс-батарей

Основной недостаток редокс-батарей — низкая плотность хранимой энергии. Если этот параметр преодолеть, проточные редокс-батареи будут выгоднее аккумуляторов с твердотельными электроактивными компонентами.

Есть параметры, по которым редокс-батареи отстают от аккумуляторов, и параметры, по которым они обгоняют аккумуляторы. Но в совокупности факторов, экологических и экономических, проточные редокс-батареи побеждают остальные системы хранения энергии.

Дмитрий Конев, химик