Вы, вероятно, не задумывались о жидкости, которая плещется внутри аккумуляторов. А ведь этот компонент — электролит — является одним из ключевых ингредиентов. Он определяет практически всё: как аккумулятор функционирует и насколько он безопасен. Наблюдается растущий интерес альтернативных производителей к использованию в составе электролита весьма необычного вещества: воды.
Литий-ионные батареи, питающие наши гаджеты и электромобили, требуют использования органических растворителей, таких как этиленкарбонат, для переноса заряда. Но электрохимические системы, позволяющие заменить их водой, могут обеспечить значительно более безопасные аккумуляторы. Это особенно важно, когда мы говорим о крупномасштабных системах хранения энергии для электросетей.
Например, компания Eos, недавно получившая крупное финансирование от Министерства энергетики США, активно работает над изменением аккумуляторной химии с упором на водные растворы. Пора разобраться, что стоит за этим трендом.
Горячая тема: Безопасность аккумуляторов
Обсуждение безопасности литий-ионных батарей часто сопровождается дезинформацией, но понять, почему альтернативные производители так акцентируют внимание на безопасности, необходимо.
Литий-ионные аккумуляторы могут и иногда воспламеняются, обычно при повреждении или перегреве, что запускает химическую реакцию, известную как тепловой разгон. Устройства оснащаются системами защиты: в электромобилях это контуры охлаждения батарейного блока. Однако сбои случаются. Вспомните отзывные кампании из-за возгораний, как это было с Chevy Bolt (например). Хотя некоторые данные говорят, что возгорания электромобилей происходят реже, чем у бензиновых аналогов (статистика), пожары электрокаров, как правило, более интенсивны и их сложнее потушить (указывается здесь).
Вопрос безопасности становится ещё острее по мере того, как мы начинаем использовать аккумуляторы в новом качестве: для сетевого хранения энергии. Рост возобновляемых источников требует мощных систем накопления, чтобы сохранять солнечную энергию для ночного потребления.
Такие системы хранения — это плюс для снижения выбросов, но и здесь не обходится без инцидентов. Сообщалось о возгораниях в крупных стационарных накопителях в Нью-Йорке этим летом (пишет Canary Media). Серьезных травм не было, но серия пожаров выглядит тревожно.
Растет и обеспокоенность по поводу пожаров, вызванных электровелосипедами в Нью-Йорке (New York Times). Эти пожары, которые могут быть смертельными, часто вызваны неправильно отремонтированными или некачественными батареями, что подчеркивает необходимость строгого регулирования и контроля качества.
Суть в следующем: литий-ионные батареи могут загореться. Это происходит нечасто, и существуют системы контроля рисков. Но некоторые производители стремятся создать альтернативы, которые в принципе не могут воспламениться.
Разбавляя водой
Химия литий-ионных аккумуляторов десятилетиями оттачивалась для обеспечения максимальной плотности энергии в малых и легких устройствах.
Часть этой оптимизации касается жидкого электролита: стандартные литиевые батареи используют органические растворители, смешанные с солями, для переноса заряда. Теоретически, можно использовать воду в качестве растворителя, но на практике это долгое время обходили стороной. Причина проста: высокое напряжение, необходимое для обеспечения высокой мощности в литий-ионных элементах, способно расщепить воду на водород и кислород.
Однако для огромных систем хранения на электросетях расставляются иные приоритеты. Вместо фокусировки на максимальной энергоемкости в малом объеме, исследователи и компании стремятся максимально снизить стоимость.
Таким образом, аккумуляторы для сетевого хранения могут пойти на компромиссы. Им не всегда нужна сверхбыстрая зарядка/разрядка, и нет острой необходимости делать их максимально компактными.
Это открывает возможность использования более тяжелых материалов, например, железа и цинка. При меньших требованиях к мощности и напряжению можно задействовать воду с растворенными солями в качестве электролита. Это может снизить затраты, упростить производство и радикально повысить безопасность. Сложно представить, что можно устроить пожар от батареи на водной основе.
Некоторые компании активно используют преимущества воды в своих альтернативных разработках по мере приближения к коммерциализации.
Form Energy — один из лидеров в области альтернативных накопителей для сетей. Их батареи иногда называют «ржавыми», поскольку они используют железо и воду, а химические реакции схожи с процессом ржавления металла. На сайте Form (Form’s website) подчеркивается безопасность: системы «не имеют риска теплового разгона». Компания уже приступила к строительству завода в Западной Вирджинии (проект).
Eos Energy также разрабатывает батареи с водным электролитом, используя цинк в качестве ключевого компонента катода. Когда я спросил Фрэнсиса Ричи, вице-президента Eos по исследованиям и разработкам, о преимуществах их химии, он первым делом назвал безопасность: «Номер один — это безопасность. Это негорючая технология».
Перед альтернативными аккумуляторами стоит немало вызовов, например, конкуренция по цене: литий-ионные элементы существуют десятилетиями, и их стоимость резко упала. Однако появление большего числа решений несет потенциальные выгоды, включая создание надежных систем, которые могут снять опасения по поводу безопасности крупных стационарных хранилищ.
Сопутствующее чтение
Ознакомьтесь с подробностями о кредите Министерства энергетики США для Eos Energy и принципах работы цинковых батарей в моей последней статье.
Железные аккумуляторы для сетей были в нашем списке Прорывных Технологий 2022 года — вот почему (ссылка на прошлый материал).
Натрий-ионные аккумуляторы могут использовать в качестве электролита как водные, так и органические растворители. Многие эксперты проявляют интерес к этой альтернативной химии как для электромобилей, так и для стационарных накопителей.
Вывести стартап по производству аккумуляторов на рынок непросто. Больше о взлете, падении и возрождении производителя натрий-ионных батарей Aquion можно прочитать в статье моего коллеги Джеймса Темпла от 2017 года (статья 2017 года).
Еще кое-что
Если вы еще не зарегистрировались на ClimateTech, у меня есть еще одна веская причина это сделать: на мероприятии мы представим специальный проект.
Команда климатических новостей Tech Review усердно готовила список 15 компаний, за которыми стоит следить в сфере климатических технологий. Эти компании охватывают разные секторы и представляют разные регионы мира. Пока не могу раскрывать детали, но некоторые имена могут показаться знакомыми давним читателям этой рассылки…
Присоединяйтесь к нам в кампусе MIT или виртуально 4-5 октября, чтобы первыми увидеть этот список и поучаствовать в захватывающих дискуссиях о технологиях, политике и бизнесе в сфере климата. Надеюсь увидеть вас там!
Свежие новости о климате
Новые заводы для электромобилей и их батарей появляются по всему Югу США. Некоторые из них могут преобразить маленькие городки — например, завод Ford, строящийся рядом с городом с населением 400 человек в Теннесси. (Wall Street Journal)
→ Мой коллега Дэвид Ротман подробно рассмотрел, как инвестиции в размере 100 миллиардов долларов в компьютерные чипы могут повлиять на Сиракьюс, штат Нью-Йорк. (MIT Technology Review)
Агентство по охране окружающей среды США предупреждало об изменении климата еще 40 лет назад. Поразительно, насколько точными оказались их прогнозы — от ожидаемого потепления до потенциала различных технологий. (The Messenger)
В Техасе запущены две виртуальные электростанции. Кластеры небольших батарей используются для удовлетворения спроса в сети, хотя пока программа довольно скромна. (Canary Media)
Если включить подключаемые гибриды, то звание мирового лидера по производству электромобилей переходит к китайской компании BYD. Теперь компания пытается выйти за границы Китая. (Rest of World)
→ Вот как Китай доминировал в мировом производстве электромобилей. (MIT Technology Review)
Группа исследователей подписала письмо с призывом к более активным исследованиям по удалению углерода из океана. Хотя эти методы могут помочь выкачать CO2 из атмосферы, остаются вопросы об их эффективности и влиянии на экосистемы. (The Verge)
Удобрения — это огромная климатическая проблема. Некоторые стартапы хотят это изменить, хотя существуют сомнения в эффективности их заменителей. (Canary Media)
