Жидкость

Стоимость является важнейшей переменной для любой батареи, которая может служить жизнеспособным вариантом хранения возобновляемой энергии в сети. Анализ, проведенный исследователями из Массачусетского технологического института, показал, что стоимость хранения энергии должна составлять всего 20 долларов США за киловатт-час, чтобы сеть могла полностью питаться от ветра и солнца. Согласно отчету Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, полностью установленная система литий-ионных аккумуляторных батарей мощностью 100 мегаватт и 10-часовой работой сети теперь стоит около 405 долларов за киловатт-час. Однако теперь жидкометаллическая батарея, которую планируется развернуть в реальном мире в 2024 году, может значительно снизить затраты на хранение энергии.

Дональд Садовей, химик-материаловед и почетный профессор Массачусетского технологического института, на протяжении многих лет всегда думал о доступности своих многочисленных изобретений в области аккумуляторов, включая недавнюю алюминиево-серную батарею. Низкая стоимость также побудила его создать жидкометаллическую батарею, содержащую электроды из расплавленного металла и электролит из расплавленной соли, которую он изобрел, а затем приступил к коммерциализации, основав стартап Ambri в 2010 году.

По словам компании, сетевая батарея Ambri стоит от 180 до 250 долларов за кВтч в зависимости от размера и срока службы. Но согласно статье Садовея и его коллег, опубликованной в октябре 2021 года в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews, его прогнозируемая стоимость составит около 21 доллара за кВтч к 2030 году. И теперь компания из Мальборо, штат Массачусетс, готовится к установке своих первых инженерных сетей. Ambri и коммунальная компания Xcel Energy начнут установку системы мощностью 300 кВтч в Авроре, штат Колорадо, в начале 2024 года; система должна быть полностью введена в эксплуатацию к концу этого года.

По словам Садовэя, более низкая стоимость жидкометаллической батареи обусловлена ​​более простыми материалами, химическим составом и конструкцией системы по сравнению с литий-ионными, а также ее более длительным сроком службы. «Концепция жидкометаллической батареи делает ее уникальной для стационарного хранения. Он не горюч, в отличие от лития. И он устойчив к выцветанию емкости. У нас есть данные о тысячах циклов зарядки, то есть о годах эксплуатации. Эта штука должна проработать 20 лет и сохранить 95 процентов своей мощности. Я бы предложил вам найти кого-нибудь, у кого есть исправная литий-ионная батарея, которой уже 20 лет».

Обычные батареи обычно изготавливаются с двумя твердыми электродами — графитом и оксидом лития в случае литий-ионных батарей — и жидким электролитом, а также сепараторами, мембранами и другими дорогостоящими элементами. Во время циклов зарядки и разрядки, когда ионы электролита попадают в электроды и выходят из них, твердые материалы расширяются и сжимаются. Повторяющиеся изменения объема со временем разрушают частицы, вызывая снижение емкости аккумулятора.

Жидко-металлическая батарея Ambri состоит из трех слоев жидкости, сложенных вместе в зависимости от плотности. Самый плотный катод из расплавленной сурьмы находится внизу, анод из легкого кальциевого сплава - вверху, а электролит на основе хлорида кальция средней плотности - посередине. «Подумайте о салатном масле и уксусе, — говорит Садовей, — за исключением того, что здесь три слоя, и они разделяются, потому что несмешиваемы».

По словам Садовея, конструкция из жидкого металла требует меньше компонентов, а химический состав основан на легировании, поэтому разрушение твердого материала отсутствует. Во время разряда кальциевый анод высвобождает ионы кальция, которые перемещаются через электролит к катоду, где образуют сплав кальция и сурьмы. Во время зарядки процесс обратный. «Нет ни мембраны, ни сепаратора», — говорит Садовей. «Все эти элементы простоты сочетаются с отказоустойчивостью».

Когда 10 лет назад IEEE Spectrum впервые представил Ambri, компания экспериментировала с литием или магнием в качестве анода. По словам Садовея, переход на кальций был направлен на снижение затрат.

Однако одним недостатком нового химического состава батареи является долгий путь к развертыванию. «Когда мы начали путь к коммерциализации, нам не на кого было положиться», — говорит Садовей. «Все фантастические достижения, достигнутые в производстве литий-ионных аккумуляторов, в данном случае практически неприменимы. Химия другая, форм-фактор другой. Поэтому нам пришлось изобретать всё, включая производственное оборудование».