Кислород

Dec 06, 2023

Венский технологический университет, Вена, Австрия

Литий-ионные аккумуляторы сегодня распространены повсеместно – от электромобилей до смартфонов. Но это не значит, что они являются лучшим решением для всех областей применения. TU Wien теперь преуспела в разработке кислородно-ионной батареи, обладающей некоторыми важными преимуществами. Хотя он не обеспечивает столь высокую плотность энергии, как литий-ионный аккумулятор, его емкость не уменьшается безвозвратно с течением времени: его можно регенерировать и, таким образом, обеспечить чрезвычайно длительный срок службы.

Кроме того, кислородно-ионные аккумуляторы могут производиться без редких элементов и изготавливаться из негорючих материалов. Заявка на патент на новую идею батареи уже подана совместно с партнерами по сотрудничеству из Испании. Кислородно-ионная батарея может стать отличным решением для крупных систем хранения энергии, например, для хранения электроэнергии из возобновляемых источников.

«У нас уже довольно давно имеется большой опыт работы с керамическими материалами, которые можно использовать для топливных элементов», — сказал Александр Шмид из Института химических технологий и аналитики Венского технического университета. «Это натолкнуло нас на мысль изучить, могут ли такие материалы подойти для изготовления батарей».

Керамические материалы, которые изучала команда TU Wien, могут поглощать и выделять дважды отрицательно заряженные ионы кислорода. При приложении электрического напряжения ионы кислорода мигрируют из одного керамического материала в другой, после чего их можно заставить снова мигрировать обратно, генерируя таким образом электрический ток.

«Основной принцип на самом деле очень похож на литий-ионный аккумулятор», — сказал профессор Юрген Флейг. «Но у наших материалов есть несколько важных преимуществ». Керамика не горюча – поэтому пожары, часто возникающие с литий-ионными аккумуляторами, практически исключены. Кроме того, нет необходимости в редких элементах, которые дороги или могут быть извлечены только экологически вредным способом.

«В этом отношении использование керамических материалов является большим преимуществом, поскольку их можно очень хорошо адаптировать», — говорит Тобиас Хубер. «Вы можете сравнительно легко заменить некоторые элементы, которые трудно получить, другими». В прототипе батареи по-прежнему используется лантан — элемент не то чтобы редкий, но и не совсем распространенный. Но даже лантан придется заменить чем-то более дешевым, и исследования в этом направлении уже ведутся. Кобальт или никель, которые используются во многих батареях, вообще не используются.

Но, пожалуй, самым важным преимуществом новой аккумуляторной технологии является ее потенциальная долговечность: «Во многих батареях возникает проблема: в какой-то момент носители заряда больше не могут двигаться», — сказал Александр Шмид. «Тогда их уже нельзя будет использовать для выработки электроэнергии, емкость аккумулятора снижается. После многих циклов зарядки это может стать серьезной проблемой».

Кислородно-ионный аккумулятор, однако, можно без проблем регенерировать: если кислород теряется из-за побочных реакций, то потери можно просто компенсировать кислородом из окружающего воздуха.

Новая концепция аккумулятора не предназначена для смартфонов или электромобилей, поскольку кислородно-ионный аккумулятор обеспечивает лишь около трети плотности энергии, к которой привыкли литий-ионные аккумуляторы, и работает при температурах от 200 °C до 400 °C. . Однако эта технология чрезвычайно интересна для хранения энергии.

«Если вам нужен большой накопитель энергии, например, для временного хранения солнечной или ветровой энергии, кислородно-ионная батарея может стать отличным решением», — сказал Александр Шмид. «Если построить целое здание, полное модулей накопления энергии, меньшая плотность энергии и повышенная рабочая температура не будут играть решающей роли. Но там особенно важны сильные стороны нашей батареи: длительный срок службы, возможность производства больших количества этих материалов без редких элементов, а также тот факт, что с этими батареями нет опасности возгорания».