Жидкие электроды

Изображение от vecstock на Freepik

Компания Ambri из американского штата Массачусетс создаёт стационарные промышленные накопители энергии, используя инновационные химические процессы, которые протекают при высоких температурах в жидких металлах и расплавленных солях. Впрочем, новинкой процессы эти можно считать, строго говоря, лишь в индустрии накопителей энергии; в электрометаллургии они используются давно. «Энерговектор» уже рассказывал читателям историю изобретения, а теперь спешит сообщить о новых достижениях и планах Ambri.

Компания заявляет, что её жидкометаллическая батарея (ЖМБ) станет идеальным решением для электроэнергетики, поскольку будет способна в суточном цикле работать по двадцать лет без заметной деградации характеристик. Новинку удобно применять для сдвига времени производства и потребления, или, другими словами, для сглаживания пиков. Здесь классический пример - солнечные электростанции, которые в большом количестве вырабатывают энергию днём, а к вечернему пику спроса на электроэнергию уже отключаются. Другой вариант применения ЖМБ - оказание системных услуг по регулированию частоты в энергосети.

Батареи Ambri не склонны к возгоранию и построены на основе широко распространённых в природе недорогих элементов. Согласно расчётам, удельные капитальные и операционные затраты будут на четверть меньше, чем в случае ионолитиевых аккумуляторных систем.

Инновационные аккумуляторы работают при высоких внутренних температурах, поэтому перед запуском в работу их необходимо разогреть, а во время эксплуатации их желательно циклировать на полную катушку. В этом случае вы получите высокий КПД цикла.

Жидкометаллический элемент имеет герметизированный корпус из нержавеющей стали. Внутренности заполнены электродными веществами и солью. Оптимальная рабочая температура 485-525 °C. В отличие от гидроаккумулирующих станций и проточных электрохимических батарей ЖМБ способна моментально переходить от заряда к разряду и наоборот.

В качестве отрицательного электрода в ЖМБ используется расплавленный кальциевый сплав, в качестве положительного - расплавленный сплав сурьмы. Сплавы вместо чистых металлов применены для того, чтобы снизить температуру плавления материалов. Кальций - лёгкий элемент, поэтому в расплаве он находится наверху, а сурьма как тяжёлый полуметалл - внизу. Между электродами находится электролит в виде расплавленной соли, в которой основная составляющая - CaCl₂. Вся структура разделяется на слои благодаря разной плотности элементов, так что никаких специальных разделительных мембран не нужно.

И хотя кальций в соли не растворим, его ионы в соль проникают, когда аккумулятор разряжается. При этом высвободившиеся электроны идут по внешней цепи, а слой кальциевого сплава постепенно утоньшается (рис. 1). Пройдя через электролит, ионы кальция соединяются с ионами сурьмы, образуя жидкий антимонид кальция. Нижний слой становится толще.

При зарядке жидкометаллического аккумулятора идёт процесс электрического рафинирования кальция. Металл восстанавливается из соединения с сурьмой и всплывает наверх. Батарея возвращается в исходное состояние. Напряжение на ячейке в заряженном состоянии доходит до 1,3 В, а в разряженном - снижается до 0,6 В. Газы в батареях Ambri не образуются даже в случае короткого замыкания, полной разрядки или чрезмерной зарядки элемента.

В жидком состоянии электроды не образуют дендриты, не могут трескаться (читай: терять электрический контакт) и быстро восстанавливают свою форму, если батарею потревожить, например, раскачать или уронить. Любопытно, что в течение первой тысячи циклов ёмкость элемента даже немного увеличивается, а под конец двадцатилетнего жизненного срока, согласно расчётам, снизится не более чем на 5%.

В 2022 году компания Ambri поставила пилотную систему накопления энергии в контейнере (рис. 2) в центр обработки данных Microsoft. Корпорация Microsoft заказала накопитель Ambri, чтобы оценить возможность полностью избавиться от резервных дизельных генераторов в схемах энергоснабжения.

В первом квартале 2024-го должен быть выпущен пилотный накопитель второго поколения, также смонтированный в транспортном контейнере. К середине года планируется завершить строительство в штате Массачусетс производственной линии, на которой будут производиться пилотные накопители уже третьего поколения. Полноценное сборочное предприятие будет строиться в 2025-м в США, чтобы потом быть тиражированным в других странах. Технология производства несложная, все процессы проходят при обычных температурах. Электродные вещества и соль в твёрдом виде химически пассивны, поэтому специальных мер безопасности на заводе принимать не придётся.

Давайте посмотрим, как устроен «пилот» второго поколения. В контейнере ячейки ЖМБ установлены на полках плотными рядами и электрически соединены друг с другом. Стенки контейнера изнутри покрыты теплоизолирующим материалом. Перед запуском батареи в работу весь контейнер прогревается с помощью встроенного электронагревателя. Если накопитель будет циклироваться без больших перерывов (хотя бы раз в два дня), температура внутри контейнера будет поддерживаться за счёт тепловыделения при зарядке и разрядке ячеек, так что дополнительный подогрев не потребуется.

Вне теплоизолирующей оболочки с одного торца контейнера на электронных платах размещаются схемы балансировки ячеек и контроллер управления всей батареей. Эти платы при необходимости можно заменять, но внутрь теплоизолирующей оболочки, по замыслу разработчиков, техникам не придётся заглядывать на протяжении всего срока службы системы.

Один 20-футовый контейнер обеспечит максимальную постоянную мощность 275 кВт и сможет запасать 1,1 МВт·ч энергии. Напряжение на клеммах батареи будет колебаться от 700 до 1400 В. Для преобразования в стандартное сетевое напряжение понадобятся инверторы. Без учёта их КПД, то есть на постоянном токе, расчётная эффективность варьируется от 80% для сильноточного четырёхчасового цикла до 90% для слаботочного шестнадцатичасового.

Поскольку контейнеры Ambri не способны возгораться, их можно устанавливать друг на друга в несколько этажей. Несмотря на то что удельная энергия у ЖМБ получается не столь впечатляющей, как у ионолитиевых батарей, жидкометаллические накопители не потребуют лишней земельной площади.