П(р)оточные батареи

Ключевая технология для энергоперехода
08.10.2021
Энерговектор

Проточные окислительно-восстановительные батареи идеально подходят для рекуперации и хранения большого количества энергии, но у них всё же есть один недостаток - высокая стоимость используемых в производстве материалов. Исследователи из Института экологии, безопасности и энергетики Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer UMSICHT) в немецком Оберхаузене переосмыслили подход к созданию таких батарей.

Бывает, в комнате отдыха рождаются отличные идеи. Директор энергетического департамента профессор Кристиан Дойч и учёный-исследователь доктор технических наук Торстен Зайпп воспользовались перерывом на кофе, чтобы обсудить важный вопрос: как проще и, главное, экономнее разработать проточные батареи, которые используются для запасания и сохранения энергии?

Вскоре к ним присоединился Лукас Копиц. В отличие от своих коллег, занятых исследованиями в области энергетики, он разрабатывает пластмассы. По ходу разговора Копиц высказал новаторскую идею: «Нельзя ли изменить способ производства электропроводящего пластика так, чтобы он оставался гибким и поддавался сварке?» Собеседники сразу подхватили эту мысль. «Если такое возможно, - с энтузиазмом воскликнул Зайпп, - мы смогли бы полностью изменить устройство мембранно-электродного блока!»

Рабочая лошадка

В самих проточных окислительно-восстановительных аккумуляторах нет ничего необычного - они давно уже рассматриваются как одна из ключевых технологий для промышленного хранения энергии. Такие аккумуляторы отличаются стабильностью работы, то есть их ёмкость практически не снижается после тысяч циклов заряда-разряда; они негорючие, а их мощность и ёмкость можно независимо друг от друга подстраивать под изменившиеся потребности. Более того, проточные аккумуляторы не требуют применения критически важных редких материалов, а их электролиты могут быть полностью восстановлены для повторного использования. Однако до сих пор проточные батареи были слишком дороги для массового применения.

Дешевле, легче, компактнее

Из идеи, родившейся в комнате отдыха, получился готовый продукт, который производит компания Volterion GmbH, отпочковавшаяся от института. Её мембранно-электродный блок (основа проточной окислительно-восстановительной батареи) обеспечивает ряд преимуществ перед типовыми решениями: затраты на материалы сокращены на 40%, значительно снизились производственные расходы. При этом новый блок весит на 80% меньше обычного и наполовину меньше его по размерам. За эту разработку Кристиан Дойч и Лукас Копиц из Fraunhofer UMSICHT и Торстен Зайпп из Volterion были удостоены премии Йозефа фон Фраунгофера. Объясняя причины своего решения, жюри упомянуло успешное «учреждение компании для коммерциализации разработки и её отделение от института Fraunhofer UMSICHT, что служит хорошим примером вывода на рынок новых производственных технологий».

Коммерчески доступные мембранно-электродные блоки обычно складываются из сорока плоских ячеек, которые в свою очередь состоят из пластиковой биполярной пластины, анода, мембраны и катода. В общей сложности используется до 160 уложенных друг на друга компонентов, удерживаемых вместе с помощью большого количества винтов и твёрдых металлических пластин. Вся структура хорошо загерметизирована.

Прокатка вместо литья

Как правило, пластиковые биполярные пластины изготавливаются методом литья под давлением. Во время этой процедуры они затвердевают и становятся хрупкими - материал в конечном итоге напоминает карандашный грифель. Идея Копица придать пластику свойства гибкости и свариваемости позволила отказаться от многочисленных уплотнений, которые в процессе эксплуатации батареи теряют эластичность и могут ломаться. Без лишних слов он принялся за работу. «Мы быстро поняли, что идея действительно прорывная, хотя и не знали, какие усилия потребуется приложить, чтобы довести её до промышленной разработки, - вспоминает Дойч. - Но Лукас верил в свой новый пластик, а я верил в способность Лукаса справиться с задачей».

Высокие температуры и давления, необходимые для изготовления пластин методом литья, приводят к деградации свойств пластика. Чтобы её исключить, исследовательская группа использует прежние исходные материалы, то есть графит и технический углерод, но готовит и обрабатывает их иначе: пластик в форме гранул охлаждают до температуры -80 °C, затем измельчают в порошок и смешивают с графитом в весовом соотношении 20:80.

Далее полученная смесь проходит через систему из нескольких различных нагретых валков - это называется процессом каландрирования. Порошок быстро расплавляется между валками при умеренных температурах и низком давлении, а затем раскатывается в листы. «Что особенно важно, при этом новый материал обретает термопластические свойства, поэтому он гибок и поддаётся сварке, даже если в нём всего лишь 20% пластика», - объясняет Копиц. В стопке нет никаких уплотнителей, и даже винты не нужны - ячейки просто свариваются. Дополнительное преимущество метода - он не только позволяет производить биполярные пластины намного быстрее и, следовательно, с меньшими затратами, но ещё не накладывает ограничений на их размеры. Можно без проблем изготовить биполярные пластины площадью в несколько квадратных метров.

Без остановки

Следующий этап опытно-конструкторской работы был крайне важен, поскольку от него зависела возможность снизить производственные затраты. Был создан непрерывный производственный процесс, а именно - постоянный прокат, при котором биполярные пластины изготавливаются как бесконечная лента, сматываемая в рулон. Таким способом можно получать очень тонкие биполярные пластины.

При литье под давлением толщина детали должна составлять по крайней мере несколько миллиметров из-за особенностей производства, а в процессе прокатки она может быть всего лишь 0,1-0,4 мм. В результате для изготовления ячеек мембранно-электродного блока требуется гораздо меньше материала, они легче, компактнее и дешевле. «У конструкторов открылись совершенно новые возможности, реализованные в батареях Volterion, - говорит Зайпп. - Клиенты привыкли к мембранно-электродным блокам, которые нужно перемещать с помощью крана. А тут блок из багажника автомобиля могут вытащить два взрослых человека, и с точки зрения продаж в этом огромный плюс».

Мембранно-электродный блок сильно сократился в размерах

Изобретатели из фраунгоферовского института продали технологию компании Volterion, и та уже произвела более тысячи инновационных мембранно-электродных блоков, которые оказались востребованы рынком. «Теперь мы можем сосредоточиться на топливных элементах либо электролизе, то есть, иначе говоря, перестроиться и выбрать другое направление, - говорит Дойч. - И как знать, может, у нас получится создать что-либо революционное и в новой сфере».

Источник: Fraunhofer magazine

Читайте другие наши материалы