Нови възможности за съхранение на енергия
Различните видове батерии и други устройства за съхранение на енергия са от ключово значение не само защото се използват в различни мобилни устройства и следователно в някаква степен предопределят развитието на секторите от индустрията, заети с произвеждането на такива устройства, но другото им основно значение е свързано с балансиране на електропреносната система и подпомагане на вграждането в нея и увеличаването на дела на електроенергията от възобновяеми енергийни източници.
Разработването на нови средства за съхранение на енергия, които да са по-мощни, безопасни и да могат да се използват за повече цикли на зареждане и разреждане се основава на изследването на нови материали за изработването на различните компоненти. Тези разработки са свързани както с постигане на по-добро разбиране на физичните и химични свойства на различни елементи и съединения, така и на механизмите на зареждане.
Текст: списание Енергия
Популяризацията на преносимата електроника и електрическите превозни средства по света стимулира развитието на устройства за съхранение на енергия като батерии и суперкондензатори с по-висока плътност на мощността и енергийна плътност, което в голяма степен зависи от напредъка по отношение на новите материали, използвани в тези устройства. Материалите за съхранение на енергия играят ключова роля също в ефективното, чисто и многостранно използване на енергията и са от решаващо значение за експлоатацията на електричеството, генерирано от възобновяеми източници на енергия. Желанията на повечето потребители е да има по-малки и по-леки батерии, които се зареждат за минути или дори секунди и въпреки това съхраняват достатъчно енергия за захранване на устройство в продължение на дни. Някои от изследователите, работещи в тази област, мислят за още по-впечатляващ напредък. Автомобилите и мрежовите системи за съхранение биха били още по-добри, ако могат да бъдат разреждани и презареждани десетки хиляди пъти в продължение на много години или дори десетилетия. Екипите за поддръжка и потребителите биха харесали батерии, които биха могли да следят собственото си състояние и да изпращат предупреждения, ако са повредени или вече не функционират при максимална производителност.
Рамки и посоки на изследванията
Материалите за съхранение на енергия обхващат широк спектър от материали и получават значително внимание - от научноизследователска и развойна дейност до индустриално производство. Типичните системи за съхранение на енергия включват топлинно, механично, електромагнитно, водородно и електрохимично съхранение на енергия. Стратегиите за разработване на усъвършенствани материали за съхранение на енергия обхващат наноструктуриране, нано-/микрокомбинация, хибридизация, контрол на порестата структура, дизайн на конфигурацията, модификация на повърхността и оптимизация на състава. Примери за системи за акумулиране на енергия, които са широко проучени като източници на енергия с висока плътност на енергията, дълъг експлоатационен живот и висока стабилност на системата, включват литиево-йонни батерии, натриево-йонни батерии, хибридни суперкондензатори, многовалентни йонни батерии, метално-сярна /въздушна батерия и системи за преобразуване на енергия, включително мембранна протонна обменна горивна клетка, твърда оксидна горивна клетка и алкална горивна клетка.
Традиционните материали и устройства за съхранение на енергия представляват или вид литиево-йонна батерия, или се основават на порест въглерод (електрически двоен слой). Суперкондензаторите и/или псевдокондензаторите, базирани на проводящи полимери, навлязоха в областта на съхранението на енергия, за да подобрят електрохимичните характеристики на устройствата.
Зареждането може да включва комбинация от различните механизми. Разбирането на механизмите за зареждане помага за избор на правилната комбинация електролит-електрод. По-важното е, че механизмът за зареждане ще повлияе на капацитета и по подобен начин на енергийната плътност. Механизмът също има значително въздействие върху мощността, която устройствата за съхранение на енергия могат да предложат, и оптимизирането на този механизъм може да подобри енергийните характеристики на такова устройство. Механизмът на йонообмен е предпочитан поради термодинамичните си особености. Кинетично, механизмът на зареждане зависи от относителните скорости на движение в порите на анионите и катионите. Контролирането на скоростите на дифузия на различните йони в порите ще контролира кинетичния механизъм за зареждане и по този начин ще подобри капацитета. Подобряването на енергийните характеристики на устройствата за съхранение на енергия изисква систематично приспособяване на механизма за зареждане на устройството при избора на комбинация електрод-електролит. Механизмът за зареждане на устройството има значителен ефект върху мощността, която устройството за съхранение може да предложи. Очакват се различни характеристики на устройствата за акумулиране на енергия в зависимост от това дали механизмите за адсорбция на йони, йонообмен и десорбция на йони работят. Необходима е по-нататъшна работа за установяване на оптималния механизъм за приложение с висока мощност.
Не само новите материали разширяват света на иновациите на батериите. Новото оборудване и методи също така позволяват на изследователите да наблюдават какво се случва вътре в батериите много по-лесно, отколкото е било възможно някога. В миналото една батерия е преминавала през определен процес на разреждане на заряда в продължение на няколко цикъла, след което материалът е бил изваждан от батерията и впоследствие изследван. Едва тогава учените са могли да научат какви химически промени са се случили по време на процеса и да направят заключение как батерията действително е работила и какво е повлияло на нейните характеристики. Но сега учените могат да наблюдават материалите на батериите, докато преминават през процеса на съхранение на енергия, анализирайки дори тяхната атомна структура и състав в реално време.
Метално-йонните батерии
В по-голямата си част напредъкът в съхранението на енергия ще разчита на непрекъснатото развитие на науката за материалите, разширявайки границите на ефективността на съществуващите материали за батерии и разработвайки изцяло нови структури и композиции на батериите. Батерийната индустрия вече работи за намаляване на разходите за литиево-йонни батерии, включително чрез отстраняване на скъпия кобалт от положителните им електроди (катоди). Изследователите намират начини да заменят съдържащите кобалт материали с катоди, направени предимно от никел. В крайна сметка те може да успеят да заменят никела с манган. Всеки от тези метали е по-евтин и по-безопасен за работа от своя предшественик. Но при тях все пак се прави компромис, защото имат химични свойства, които скъсяват живота на батериите. Изследователите също търсят материали, които да заменят литиевите йони, които се преместват между двата електрода, с йони и електролити, които могат да бъдат по-евтини и потенциално по-безопасни, като тези на базата на натрий, магнезий, цинк или алуминий.
Метално-йонните батерии и суперкондензатори, както и горивните клетки, играят важна роля в съвременния ни живот и се използват в търговската мрежа като преносими и стационарни източници на енергия за електронни устройства. Известно е, че материалите за акумулиране на енергия, т.е. положителните/отрицателните електроди в батериите и преобразуващите материали в горивните клетки, са ключът към определянето на работата на електрохимичното устройство.
Литиево-йонните батерии се появяват през 1991г. и тогава трансформират преносимите електронни устройства. Въпреки че новите поколения литиево-йонни батерии са способни да захранват електрически превозни средства до ограничен обхват на шофиране с едно зареждане, те все още са далеч от целта от ~500km. Литиево-йонните батерии покриват широк спектър от приложения, включително преносима електроника, електрически превозни средства и стационарна мрежа. Към момента литиево-йонните батерии са най-често срещаният тип батерии в електрониката. Изборът на електролит в технологията на батериите ще определи много аспекти на дизайна на материала, работата на устройството и стабилността. Диапазонът на работното напрежение е фундаментално ограничен от стабилността на електролита, който неизбежно ще се разпадне при даден потенциал. Факторите, които трябва да се имат предвид при избора на електролит, включват проводимост, електрохимична и термична стабилност и токсичност. Максималният стабилен потенциален прозорец с воден електролит е 1,5V. За батерии, които да надхвърлят постигнатото досега захранване на мобилни устройства, са необходими нови стратегии за идентифициране на електролити с по-големи потенциални прозорци, като същевременно се запазва добрата проводимост на лития и проектиране на аноди с по-голям капацитет, които са безопасни и могат да се зареждат с бързи темпове.
Разходите, свързани с производството на устройства за съхранение и преобразуване на енергия, се определят от относителното изобилие от материали, производствени процеси и големи енергийни разходи за производство и рециклиране на батерии. Налични са няколко недостатъка, свързани с литиево-йонните батерии, включително реактивността на литиево-металните електроди, което води до образуване на дендрити, което може да повлияе на живота на батерията. Специфичната енергийна плътност на съвременните литиево-йонни батерии е под дългосрочните цели на производители и правителствени програми. Също така летливите органични електролити на литиево-йонните батерии пораждат опасения по отношение на безопасността. Преодоляването на тези недостатъци на този вид батерии е довело до разработването на системи с течен електролит и твърд полимерен електролит (SPE), които инхибират растежа на дендрита и подобряват неговия практически специфичен енергиен капацитет, енергийна плътност и енергийна ефективност.
Легиране
Различни компоненти на устройството, включително аноди, катоди, мембрани, електролити и катализатори, са изследвани с цел подобряване на системите за съхранение и преобразуване на енергия, от които може да се извърши оптимизация на дизайна и оптимизацията на материала. Химическата модификация или легиране е доказано полезна и широко прилагана стратегия. Различни изследвания се занимават със стратегии със заместване и легиране с чужди атоми и подобрения, направени за усъвършенстване на материали за съхранение и преобразуване на енергия. Легирането е един от най-ефективните методи за подобряване на ефективността на съхранението на енергия и способността на материалите за преобразуване. Чрез интеркалация на йони и хетерогенно легиране с чужди атоми, свойствата и характеристиките на материалите могат да бъдат значително променени и могат поне отчасти да се справят с ключови те към момента проблеми при съхранението и преобразуването на енергия.
Изследванията в областта на легирането като начин за подобряването на средствата за съхранения на енергия обхващат проектирането и приложението на усъвършенствани или легирани материали за съхранение или преобразуване на енергия и се фокусират върху проектиране и подготовка на модифицирани материали, изследване на модифицирани материали, използвани при съхранение и преобразуване на енергия, например литиеви, натриеви и калиеви йонни батерии, суперкондензатори и горивни клетки, нови химикали за прилагането на модифицирани материали, механизмът, по който легирането води до подобрение на средствата за съхранение, както и други конверсионни и многовалентни материали за съхранение на енергия.
Въглеродни материали
Електрическите двуслойни кондензатори (Electrical double layer capacitors - EDLC), известни още като суперкондензатори с висока плътност на мощността и отлична стабилност на циклите, са ключова алтернатива сред устройствата за съхранение на енергия с потенциал да отговорят на нарастващите енергийни нужди и опасения за околната среда. Порестите въглеродни материали като активен въглен, въглерод, получен от карбид, подредени (структурирани) мезопорести въглероди, въглеродни аерогели и въглеродни нанотръби остават най-често срещаните и важни възможностите по отношение на електродите за EDLC. Суперкондензаторите на базата на въглерод са подходящи за приложение с висока мощност поради своя нефарадичен механизъм за съхранение на заряд (електрически двоен слой), който позволява бързи темпове на зареждане и разреждане. Електрохимичните характеристики на суперкондензаторите са мащабируеми и се контролират главно от структурните свойства на електродите. Наноструктурираният въглерод с голяма повърхност се използва за максимизиране на работата на електродите. Тези материали са силно порести и електрохимичните им характеристики се подобряват чрез включване на функционални групи, включително окислителни групи като карбоксилатни, кетонни или хидроксилни групи. Модификациите на повърхността увеличават капацитета, достъпността до електролита и електрохимичните дейности.
Въглеродните нановлакна от полимерен прекурсор, приготвен чрез електропредиране, се различават от останалите по това, че имат различни морфологии на влакната (например кухи, порести повърхностни влакна), подредени произволно. Електропредирането е изгодно при направата на полимерни нановлакна с контролиран диаметър на влакната, подравняване на влакната и форма на влакнестата подложка. Това не включва процес на разделяне и разпръскване и използване на сурови химикали или катализатори. Но има и значителни предизвикателства, породени от структурната сложност на порестите въглеродни електроди, които включват бавно време на зареждане и разреждане на псевдокапациентните полимерни материали и безопасността на органичните течни електролити. В такъв случай идеалната структура на електрода ще бъде постигната чрез контролирано изменение на размерите на порите. Композитните въглеродно-полимерни електроди могат да служат като моделни системи за изследване на връзката структура-свойство.
Високоефективните устройства за съхранение на енергия за приложения с висока мощност, включително предназначените за високогабаритни електрически превозни средства, енергийно ефективни товарни кораби и локомотиви, космическа и стационарна мрежа изискват систематично проектиране и производство на композитни наноструктурирани материали на основата на въглерод и проводими полимери. Електрохимичните кондензатори, базирани на наноструктуриран въглерод, могат да допълват или да заменят батериите в приложенията за съхранение и събиране на електрическа енергия, когато е необходимо доставяне или усвояване на висока мощност.
Полимери
Проводимите полимери (псевдокондензатори) са вид електрохимичен кондензатор, където енергията се съхранява във фарадейска редокс система, както в батериите. Архетипният EDLC електроден материал е активен въглен, който има висока мощност, но ограничена енергийна плътност. Псевдокондензаторите съхраняват заряда чрез окислително-редукционна реакция, но го правят повърхностно, което води до висока енергийна плътност спрямо EDLC, като същевременно позволява по-добро представяне по отношение на мощността и жизнен цикъл спрямо батериите. Псевдокондензаторите, базирани на проводящи полимери, предлагат ниска цена, висока специфична енергия и мощност, висока проводимост, леки са и имат повишена гъвкавост спрямо други псевдокондензаторни материали. Псевдокондензаторите (или електрохимичните кондензатори) преодоляват разликата в производителността между електролитни кондензатори и акумулаторни батерии.
Псевдокондензаторите разчитат на бързата и обратима фарадаична редокс реакция между електроактивни полимери или метални оксиди и електролитни йони. Провеждащите полимери, оксиди и хидроксиди на преходни метали се изследват като успешни електроактивни материали в псевдокондензатори. Те притежават по-висок капацитет и превъзходна енергийна плътност, но са по-ниски показатели по отношение на плътността на мощността от двуслойните електрически кондензатори на основата на въглерод. Доста изследователски публикации се фокусират върху композитни електродни материали, състоящи се от превъзходна и отлична специфична повърхност (specific surface area SSA) от въглероден материал и проводими полимери. Такива композитни електроди максимизират синергията на бързите темпове на зареждане и разреждане на материали на основата на въглерод и бързата окислително-редукционна реакция на електроактивни материали (проводящи полимери), за да предоставят по-добри устройства за съхранение на енергия.
Електрохимичните кондензатори имат по-ниска енергийна плътност спрямо батериите, но плътност на мощността е по-сравнима с кондензаторите, което ги прави полезни в приложения, при които голямо количество заряд трябва бързо да бъде разпределено. Проводящите полимери в челните редици на разработването на псевдокондензатор включват полианилин (PANI), полипирол (PPy), политиофен (PT) и поли (3,4-етилендиокситиофен) (PEDOT).
Въпреки високия капацитет на псевдокондензаторите, те нямат мощност поради фарадаични процеси, които правят йонен транспорт бавен в сравнение с електростатичната адсорбция в EDLC. Високата проводимост на псевдокапацитивен материал е от решаващо значение за подобряване на кинетиката на пренос на заряд на електрода. Важен фактор за повишаване на проводимостта на проводящия полимер е подвижността на носителя (μ). Лошата подвижност на носителя на заряда води до изолационно поведение, което затруднява циклите на зареждане и разреждане, като по този начин анулира капацитета на електрохимичната клетка.
Способността на проводящ полимерен псевдокондензатор да претърпи стотици хиляди цикли на зареждане / разреждане без нито химическо, нито физическо разграждане е изключително желателна за циклична стабилност през целия живот. Има няколко причини за ниска стабилност при циклиране при провеждане на полимерни псевдокондензатори. Доказано е, че прилепването на полимера към токосъбирача влияе значително върху стабилността на циклирането. Лошата пригодност за циклиране и голямото изтичане на ток са основните пречки пред индустрията. Влошаването на производителността на устройството след голям брой цикли на зареждане и разреждане е показателно за възможно структурно влошаване в молекулярния мащаб (полимерен състав, конформация и подравняване на веригата) или в наномащаба (йерархична архитектура и морфология).
Важно е да се разгледа и ролята на йонната течност във връзка с усъвършенстваното полимерно устройство за съхранение на енергия. Йонните течности са разтопени соли с ниска температура, т.е. течности, съставени само от йони. Архетипът на йонни течности с йонна проводимост, сравнима с много органични електролитни разтвори и отсъствие на разлагане или значително налягане на парите до ~ 300–400°C. Уникалните свойства на йонните течности могат да помогнат за безопасното решаване на проблема с органичните електролити, тъй като те практически не са запалими, т.е. замяната на конвенционалните, запалими и летливи органични разтвори с йонни течности като проводяща електролитна система може значително да намали топлинния отток и да доведе до значително подобрени псевдокондензатори на полимерна основа. Внедряването на усъвършенствана система за съхранение на енергия в електрически превозни средства и други приложения с висока мощност е забавено от съображения за безопасност, свързани с използването на органични електролити. Непредвидими събития като късо съединение или локално прегряване довеждат до екзотермична реакция на електролита с електродни материали. Електролитът на основата на йонна течност може да помогне за решаването на проблема. Това осигурява суперкондензатори и литиева батерия с ниво на безопасност, необходимо за широкомащабна работа. Термодинамичната и кинетичната стабилност на тези широки масиви от йонни течности по отношение на електродните материали трябва да бъдат фокус на по-нататъшните изследвания.