Российские учёные, представляющие химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова и Сколковский институт науки и технологий (Сколтех), добились значительного прогресса в сфере хранения электроэнергии. Совместными усилиями они разработали и собрали первый в стране прототип уникального проточного окислительно-восстановительного аккумулятора, открывающий путь к эффективному хранению больших объемов энергии. Такая технология может стать ответом на запросы современной энергетики.
Задачи современной энергетики и вызовы хранения энергии
Мир уверенно движется к преобразованию энергетики: всё активнее внедряются солнечные панели, ветровые турбины, другие «зелёные» источники энергии. Страны, инвестирующие в возобновляемые ресурсы, сталкиваются с новой задачей: как эффективно сохранять излишки электроэнергии, произведённой, например, во время солнечного пика или сильного ветра, и уверенно распределять её в периоды спроса? Привычные нам твердотельные аккумуляторы — начиная с тяжеловесных и низкоэмкостных свинцово-кислотных моделей до более современных литий-ионных — имеют ряд трудноустранимых недостатков: ограниченная емкость, риски перегрева, сложность масштабирования и высокая стоимость при работе с большим объёмом энергии.
Существенная проблема традиционных аккумуляторов — невозможность эффективно накапливать электроэнергию на длительные сроки и быстро отдавать её по необходимости. Например, для хранения энергии, вырабатываемой крупной солнечной станцией или массивом ветряков, таких решений уже недостаточно.
Новый подход: проточные аккумуляторы — будущее энергосистем
Проточные окислительно-восстановительные аккумуляторы были предложены в качестве альтернативы, призванной устранить недостатки классических батарей. В отличие от обычных аккумуляторов, их конструкция предполагает использование больших ёмкостей с жидким электролитом, который циркулирует через специальные электрохимические ячейки, разделённые мембраной. Эта мембрана позволяет определённым ионам перемещаться, обеспечивая протекание электричества и, как следствие, накопление и отдачу энергии.
В часы производства энергии из возобновляемых источников, насосы гонят израсходованный электролит через аккумуляторные ячейки, где происходит процесс зарядки. Когда энергия потребляется, происходит обратный процесс — электролит высвобождает накопленную энергию, возвращая её в сеть. Такой вид аккумуляторов выделяется огромной масштабируемостью: увеличить ёмкость можно добавляя резервуары электролита, а повысить мощность — установив больше ячеек или расширяя площадь мембраны. Их мощность и объём напрямую не связаны друг с другом, что уникально среди современных систем хранения.
Инновационные разработки МГУ и Сколтеха: российский прототип на солях ванадия
Группа исследователей под руководством доцента Евгения Карпушкина на кафедре коллоидной химии МГУ впервые в России реализовала лабораторный прототип такого проточного аккумулятора. Для создания рабочей модели был выбран раствор солей ванадия — один из наиболее устойчивых и надёжных вариантов для этого типа аккумуляторов.
Ключевая особенность ванадиевых проточных батарей заключается в использовании ионов одного металла в обеих полуячейках — как в окислительной, так и в восстановительной. Это обеспечивает долговременную химическую стабильность, предотвращает нежелательные реакции и способствует длительному сроку службы. Недостаток — довольно высокая стоимость исходного реагента: за один килограмм оксида ванадия (V) приходится платить больше 60 долларов. Однако потенциал для масштабирования и безопасности таких аккумуляторов заставляет всерьёз рассматривать данное решение для национальных и мировых энергетических систем.
Особая роль мембраны: поиск оптимальных материалов и модификация Nafion
Успешная работа проточных аккумуляторов во многом определяется характеристиками разделительной мембраны — специального материала, который отделяет две разные по составу и химическим свойствам среды. Мембрана должна быть строго селективной: пропускать только определённые ионы (в данном случае ионы ванадия), не пропуская при этом другие виды частиц и предотвращая нежелательные побочные реакции.
Наиболее распространёнными являются полимерные мембраны, однако для специфических требований проточных аккумуляторов их свойства нередко приходится дорабатывать. Исходные полимерные материалы не всегда обладают нужной селективностью. Учёные занимаются структурной модификацией мембран: если мембрана слишком «плотная» и плохо проводит ионы, делают её более «дырчатой»; если наоборот, каналы слишком широки — уменьшают их диаметр, чтобы исключить проникновение нежелательных элементов.
Особое внимание уделяется ионообменной мембране Nafion — одному из самых известных полимерных материалов для подобных задач. В рамках российской научной группы ее структура была усовершенствована с помощью химического соединения — хлорида полидиаллилдиметиламмония. Это позволило сделать мембрану более избирательной по отношению к нужным ионам. Несмотря на то, что сегодняшний Nafion остается довольно дорогим материалом, учёные МГУ и Сколтеха настроены оптимистично, ведь их ноу-хау легко адаптировать для более дешёвых аналoгов. Такой подход может привести к настоящему прорыву и развитию отечественного рынка систем хранения возобновляемой энергетики.
Опыт и энтузиазм первопроходцев
По словам Евгения Карпушкина, исследования в области проточных аккумуляторов для России — почти новый, наполненный вызовами, но исключительно перспективный путь. Как отмечает учёный, в стране фактически отсутствовала устоявшаяся терминология для «redox flow battery» — команде пришлось самостоятельно подбирать и анализировать переводы, формулируя научное описание технологии. Такой подход закладывает фундамент для дальнейших прорывных разработок и стимулирует рост отечественной экспертизы.
Группа российских химиков уверена: за подобными аккумуляторами будущее глобального энергорынка. Благодаря их опыту и энтузиазму в лабораториях страны рождаются разработки, способные значительно увеличить объемы сохраняемой электроэнергии, а также обеспечить гибкое и надёжное снабжение потребителей в любое время.
Перспективы для России и мировой энергетики
Разработки, в которых участвуют МГУ, Сколтех и лично Евгений Карпушкин, открывают новые горизонты не только для науки, но и для промышленности. Внедрение современных проточных аккумуляторов позволит максимально эффективно использовать энергию ветра, солнца и других экологически чистых источников, минимизируя потери и повышая устойчивость энергетической инфраструктуры.
Современные исследования, опыт российских специалистов и адаптация передовых технологий, таких как мембраны на основе Nafion, закладывают фундамент для энергобезопасности страны в условиях роста доли возобновляемых источников. Уже сегодня появляются все предпосылки для того, чтобы российские научные коллективы стали лидерами мировой энергетической революции, а инновационные проточные аккумуляторы — ключевым элементом будущей энергетики.
Источник: scientificrussia.ru
