Новый тип топливного элемента, работающего на натриевом металле, может помочь очистить отрасли, где замена ископаемого топлива особенно сложна — железнодорожный транспорт, региональная авиация и короткие маршруты судоходства. Устройство отличается от литий-ионных батарей и концептуально ближе к водородным топливным системам.
Топливный элемент натрий-воздух был создан командой под руководством Yet-Ming Chiang, профессора материаловедения и инженерии в MIT. Он обладает более высокой энергоемкостью по сравнению с литий-ионными батареями и не требует сверххолодной температуры или высоких давлений, как у водорода, что делает его, по словам исследователей, потенциально более практичным для транспорта. «Я интересуюсь натриевым металлом как носителем энергии будущего», — говорит Чианг.
Дизайн устройства, опубликованный сегодня в журнале Joule, связан с технологиями, лежащими в основе одной из компаний Чианга, Form Energy, которая разрабатывает железо-воздушные батареи для крупных установок хранения энергии, таких как аккумуляторы ветра и солнца на сетях электроснабжения. Батареи Form опираются на воду, железо и воздух.
Одной из технических проблем металло-воздушных батарей исторически была обратимость химических реакций. Чтобы батарея посредством разряда вырабатывала электричество, а при зарядке — восстанавливала реакционные продукты, эти процессы должны быть легко обратимыми. Когда реакции образуют очень стабильные продукты, повторная зарядка может сопровождаться потерей емкости.
Чтобы обойти эту проблему, команда Form обсуждала идею, чтобы их батареи можно было заправлять, а не заряджать обратно. Идея заключалась не в полном обращении реакций, а в том, чтобы просто запускать систему в одном направлении, добавлять исходный материал и повторять цикл. В итоге Form выбрала более традиционную батарейную концепцию, но эта идея прижилась у Чианга, который решил исследовать её с другими металлами и остановился на натриевом топливном элементе.
В таком формате топливный элемент принимает реагенты и запускает реакции, которые генерируют электричество, после чего продукты удаляются. Затем в систему снова заправляют — без обычной электрической зарядки. (Знакомую вам идею можно встретить в топливных элементах для автомобилей на водороде, например в Toyota Mirai.)
Чианг и его коллеги поставили цель создать топливный элемент, который работает на жидком натрии, потенциально обладающем намного более высокой энергетической плотностью, чем существующие коммерческие технологии. Это позволило бы сделать устройство компактным и лёгким — подходящим для использования в региональных самолётах или на коротких маршрутах судоходства.
Исследователи построили небольшие тестовые ячейки, чтобы опробовать концепцию, и провели испытания, демонстрируя, что натриевый топливный элемент может генерировать электричество. Поскольку натрий становится жидким примерно при 98 °C (208 °F), рабочие температуры ячеек оказались умеренными — от 110 °C до 130 °C (230 °F–266 °F), что, по словам Чианга, может быть практичным для применения на самолётах или судах.
По результатам работ с этими экспериментальными устройствами учёные оценили энергетическую плотность около 1 200 ватт-часов на килограмм (Wh/kg). Это значительно выше того, что сейчас достигают коммерческие литий-ионные батареи (примерно 300 Wh/kg). В то же время водородные топливные элементы могут иметь высокую энергоемкость, но требуют хранения водорода под высоким давлением и часто при очень низких температурах.
«Это интересная концепция элемента, — говорит Юрген Янек, профессор Института физической химии в Гизенском университете (Германия), который не участвовал в исследовании. Ранее была работа по натрий-воздушным батареям, но использование подобной химии в формате топливного элемента — это новинка.»
«Одной из ключевых проблем такого типа элемента является безопасность», — добавляет Янек. Натриевый металл очень активно реагирует с водой. (Вы, возможно, видели видео, где блоки натрия бросают в водоём ради драматичности). Однако по словам Чианга конструкция элемента обеспечивает постоянное удаление воды, образующейся в ходе реакций, чтобы вокруг не было достаточно воды для запуска опасных реакций. Твёрдый электролит — керамический материал — также помогает предотвратить реакции между водой и натрием.»
Другой вопрос — что произойдёт с одним из продуктов элемента, гидроксидом натрия. Известная как щёлочь, это промышленный химикат, который применяется в продуктах вроде жидких средств для очистки стоков. Некоторые исследователи предлагают разбавлять продукт и выпускать его в атмосферу или океан, где он будет реагировать с углекислым газом, захватывая его в стабильной форме и предотвращая вклад в глобальное потепление. В нескольких группах рассматривают реальные полевые испытания с использованием такого химиката для океанского удаления углерода, хотя такая работа вызывает споры. Исследователи также обсудили возможность закрытой системы, в которой химикат можно было бы собрать и продать как побочный продукт.
Существуют и экономические факторы, работающие на натриевые системы, хотя потребуется доработать цепочки поставок. Сегодня натриевый металл не производится в больших объёмах. Однако натрий можно получить из хлорида натрия (обычной соли), который очень дешев — а в прошлом он был более доступен, поскольку применялся в производстве свинца с добавкой свинца в бензин. Так что у промышленности есть прецедент для роста цепочек поставок, и масштабирование производства натриевого металла может сделать его дешевым для топливных элементов, считает Чианг.
Чианг соосновал компанию Propel Aero, чтобы коммерциализировать исследования. Проект получил финансирование по программе Propel-1K Агентства по перспективным исследованиям в области энергетики (ARPA-E), которая нацелена на разработку новых форм высокомощного хранения энергии для авиаперелётов, поездов и судов.
Следующим шагом остаётся продолжение исследований для улучшения характеристик ячеек и энергетической плотности, а также проектирование небольших систем. Одним из ранних применений могут стать дроны. «Мы хотели бы, чтобы что-то поднималось в воздух в ближайший год», — говорит Чианг.
«Если людям не кажется это безумным, я буду скорее разочарован», — добавляет он. «Потому что если идея на старте не звучит сумасшедшей, она, скорее всего, не такая революционная, как вы думаете. К счастью, большинство людей считают мою идею сумасшедшей в этом случае».
Как главный редактор atompil.net, могу добавить: эта концепция ещё на раннем этапе, но её потенциал может стать серьёзным импульсом для регионального транспорта и устойчивой энергетики, если удастся масштабировать энергию, снизить стоимость и обеспечить надёжность в полевых условиях.
