Горячие аккумуляторы как перспективное направление в развитии аккумуляторных батарей
Несмотря на обилие различных технических решений, позволяющих делать запасы энергии, идеального варианта для ее накопления и последующего использования, на сегодняшний день пока нет.
В этой связи интерес к обычным аккумуляторам не ослабевает, а, напротив, с годами только растет. При этом разработчики стремятся сделать аккумулятор с высокой плотностью мощности, низкой ценой и длительным сроком работы.
Следует обратить внимание, что речь идет о стационарных аккумуляторах, предназначенных для зарядки от солнечных батарей и ветроэнергетических установок (ВЭУ или просто ветрогенератор), следовательно, размер устройства не является узким звеном в решении вопроса.
О чем идет речь
Основные исследования ведутся в области разработки и усовершенствования, так называемых горячих или высокотемпературных аккумуляторов, работающих при температуре в интервале 300-400 градусов Цельсия. Их мощность больше мощности обычных свинцовых аккумуляторов и может в несколько раз превышать ее.
К тому же разработчики уверяют, что это устройство будет стоить намного дешевле традиционного аккумулятора. Основная сложность при его использовании состоит в необходимости создавать чрезмерно высокие температуры, необходимые для нормальной работы.
К конструкции предъявляются повышенные требования: она должна быть надежной и устойчивой к воздействию температур.
Отрицательный электрод изготавливается из лития или натрия, также возможны сплавы лития с алюминием, а положительный электрод делают из хлора, сульфида железа или серы. Между ними находится электролит, нагретый до 400 градусов в расплавленном состоянии.
Рассмотрим один из вариантов высокотемпературного аккумулятора, отрицательный электрод которого изготовлен из сплава алюминия и лития, а положительный из сульфида железа.
Работа этого устройства основана на следующей химической реакции
Электролит представляет собой смесь из хлорида лития и оксида калия. Сплав алюминия и лития плавится при температуре 600 градусов. В зоне максимальной концентрации лития в сплаве его электрохимический потенциал составляет 0,3В. В целом ЭДС такого аккумулятора равна 1,5 В, а его удельная энергия составляет 460Втхч/кг. Для сравнения, обычный аккумулятор имеет удельную энергию 100-120Втхч/кг.
При работе аккумулятора электролит расплавлен. Но внутри устройства находится не плавящийся элемент, сделанный из керамики, называемый также твердым электролитом. Его характерной особенностью является способность проводить отрицательно заряженные ионы.
Пример устройства такого аккумулятора представлен на рисунке 1, где 1 - катод,2 - сепаратор; 3 - анод; 4 - изолятор; 5 - керамический слой или твердый электролит; 6 - подача электролита; 7 -заглушка; 8 - крышка
Рисунок 1
Нельзя обойти вниманием еще одну разработку российских ученых, предложивших использовать в качестве электродов литий и кислород. По предварительным расчетам эта пара может стать основой аккумулятора с энергоемкостью до 4500Втхч/кг. Разумеется, речь идет о теоретических расчетах, без учета взаимодействия с электролитом. В реальной жизни показатель будет меньше, но в любом случае ожидается, что аккумулятор будет превосходить по мощности и плотности энергии, существующие на сегодняшний день аналогичные устройства.
Суть изобретения состоит в следующем: отрицательно заряженный электрод сделан из лития, контактирующего с литий проводящим электролитом. Катод расположен с противоположной стороны. Электролит находится в расплавленном состоянии и характеризуется высокой проводимостью катионов лития. Он состоит из кислородсодержащих кислот и солей лития.
Эффективность работы горячих аккумуляторов определяется высокой температурой электролита и расплавленным состоянием электродов, что улучшает проводимость его внутренней среды. Но при этом в рассмотренных конструкциях остается опасность повреждения электродов и составляющих элементов при слишком высоких значениях поступающего или отдаваемого тока. Напомним, что в этих конструкциях высокотемпературных аккумуляторов остаются твердые внутренние элементы: электроды и внутренняя проводящая перегородка из керамики, называемая также твердым электролитом.
Иными словами, аккумулятор может не выдержать нагрузки и рассыпаться.
Новинка, способная спасти зеленый мир…
Именно так характеризуется в интернете изобретение Дональда Сэдовея, ученого из США. Его суть состоит в том, чтобы полностью исключить из конструкции горячего аккумулятора все твердые элементы. Как известно, при превышении нагрузки разрушиться или расплавиться могут только твердые составляющие элементы аккумулятора. Если их не будет, то и плавиться нечему.
В новой конструкции и электроды, и электролит находятся в расплавленном жидком состоянии. Все эти элементы представляют собой различные химические вещества разной плотности, что и является основной причиной их разделения. Автор изобретения, объясняя принцип работы устройства, говорит о воде и масле, которые, находясь в одном сосуде, не смешиваются.
О конструкции
Начнем с того, что у аккумулятора должны быть входные контакты. В данном случае их роль выполняет тугоплавкий корпус и крышка устройства. Корпус и крышка отделена друг от друга при помощи диэлектрика. Все устройство помещено в хорошо изолированный корпус, предотвращающий возможность взаимодействия с ним во время работы. (Не забывайте, что речь идет о плавлении веществ и высокой температуре).
Первый электрод в данной конструкции это сурьма. Она находится на дне емкости. Электролитом является сульфид натрия, в котором растворен антимонид магния. Слой электролита расположен над слоем сурьмы. Верхний слой состоит из магния. Он же является вторым электродом. На этом рисунке представлена принципиальная схема устройства.
После подключения аккумулятора к источнику электрического тока, ионы магния, заряженные положительно, взаимодействуют с электронами, образуя нейтральные атомы, и располагаются в верхней части аккумулятора. Ионы сурьми, имеющие отрицательный заряд, отдают свои электроны, также становясь нейтральными и собираясь внизу емкости.
В результате(как это видно на рисунке 3) электроды увеличиваются в размере.
Прослойка электролита уменьшается и при полностью заряженном устройстве имеет минимальный размер.
При разряде процесс идет в обратном порядке. По мнению экспертов, идея, несомненно, очень перспективная.
