Новая 3D-печатная система упростит испытания технологии, которая может хранить энергию дешевле и безопаснее литий-ионных батарей
Учёные разработали недорогую 3D-печатную тестовую ячейку, которая может упростить разработку проточных батарей — перспективной технологии хранения энергии из возобновляемых источников. Исследователи обнаружили, что результаты испытаний таких аккумуляторов в разных лабораториях часто значительно отличаются даже при использовании одинаковых конструкций, и предложили создать единые протоколы измерений для всей области.
Солнечная и ветровая энергетика зависят от погодных условий, поэтому для их широкого применения необходимы системы, способные сохранять большие объёмы энергии и отдавать её при необходимости. Сейчас эту задачу в основном решают литий-ионные батареи, однако их масштабное использование ограничивают высокая стоимость сырья, зависимость от поставок лития и кобальта, а также риск возгорания органического электролита внутри аккумуляторов.
Одной из альтернатив являются проточные батареи. В отличие от обычных аккумуляторов, где активные материалы находятся внутри одного корпуса, в таких системах энергия хранится в жидком электролите — растворе с веществами, способными участвовать в электрохимических реакциях. Электролит находится в отдельных резервуарах и прокачивается через блок элементов, где происходит заряд или разряд батареи.
Главное преимущество проточных батарей заключается в разделении мощности и ёмкости. В обычных аккумуляторах увеличение количества запасаемой энергии обычно требует увеличения всей системы, что одновременно повышает стоимость и мощность. В проточных батареях эти параметры можно изменять независимо: для хранения большего количества энергии достаточно увеличить объём резервуаров с электролитом, а для повышения мощности — добавить больше электрохимических ячеек.
Такая конструкция также делает проточные батареи более безопасными для крупных энергетических систем. Большинство вариантов используют водные электролиты, поэтому они не имеют риска возгорания, характерного для литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, некоторые проточные батареи уже работают более 20 лет, демонстрируя высокую долговечность.
Несколько крупных систем уже построены. В Китае установлены подключенные к энергосети проточные батареи гигаватт-часового масштаба — объёма, сопоставимого с суточным потреблением примерно 100 000 домов. В Швейцарии строится система ёмкостью 2,1 гигаватт-часа для питания центра обработки данных с искусственным интеллектом, которая после запуска станет крупнейшей проточной батареей в мире.
Однако развитие технологии замедляет не только поиск новых материалов для электролитов, но и проблема воспроизводимости экспериментов. Команда из Университета Королевы в Белфасте (Queen's University Belfast) разработала недорогую 3D-печатную тестовую ячейку, чтобы сделать исследования проточных батарей доступнее, но столкнулась с тем, что одинаковые эксперименты давали разные результаты даже в одной лаборатории.
Позже исследователи обнаружили, что проблема характерна не только для их группы. Ещё на конференции 2024 года они обсудили ситуацию с Фикиле Брушетт (Fikile Brushett), профессором химической инженерии MIT, и начали совместные исследования причин различий между экспериментами разных лабораторий.
В результате учёные отправили свою обновлённую 3D-печатную тестовую ячейку нескольким ведущим научным группам по всему миру. Результаты показали значительные различия в производительности при испытаниях фактически одной и той же конструкции. В следующем исследовании участвовали уже более 30 лабораторий, а полученные данные были открыты для анализа.
В результате работа позволила выявить возможные причины расхождений и подготовить рекомендации по улучшению методов тестирования проточных батарей. Теперь единые протоколы должны упростить сравнение результатов между лабораториями и ускорить разработку новых материалов для безопасных и масштабируемых систем хранения возобновляемой энергии.
