Энергетический инжиниринг нашел другие решения для хранения электроэнергии, более простые с технической точки зрения и менее мощные, чем обычные гидроаккумулирующие электростанции.

Наибольшие усилия сегодня сосредоточены на электрохимических технологиях, которые преобразуют электроэнергию в химическую энергию веществ.

Эти технологии основаны на взаимодействии двух электродов и специальной жидкости — электролита. В последнее время участились разработки не только с жидким, но и с твердым электролитом. По такому принципу работают уже известные электрохимические батареи.

Это одна из наиболее широко используемых технологий хранения электроэнергии как в промышленности, так и в повседневной жизни. Принцип работы любых аккумуляторных батарей основан на обратимости протекающих химических реакций, поэтому их теоретически возможно использовать многократно.

Интересным решением являются проточные аккумуляторные батареи с жидкостью (flow battery), которые имеют увеличенную емкость за счет использования сразу двух емкостей с электролитами, разделенных мембраной.

Энергия вырабатывается при взаимодействии жидких компонентов, которые могут прокачиваться через элемент.

Наиболее распространенными типами аккумуляторных батарей в коммерческой сети являются свинцово-кислотные, литий-ионные и никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные батареи

В свинцово-кислотных батареях диоксид свинца и свинец служат реагентами, а раствор серной кислоты используется в качестве электролита.

В процессе зарядки и разрядки на электродах происходят электрохимические окислительно-восстановительные реакции, причем электролит является средой для переноса ионов между ними.

Количество ионов уменьшается или появляются новые.

В этом процессе электричество накапливается (зарядка) или отдается (разрядка). Во время работы отрицательного электрода происходят жидкофазные процессы, протекающие по механизму «растворение-осаждение». Гетерогенные неэлектрохимические реакции кристаллизации и растворения вместе с диффузией определяют скорость процесса разрядки и зарядки. Они замедляются при понижении температуры окружающей среды.

Свинцово-кислотные аккумуляторы широко распространены, но наряду с достоинствами у них есть существенные недостатки — низкая удельная энергоемкость (на уровне 10-30 Втч/кг) и использование токсичного свинца. Также они характеризуются незначительным количеством циклов зарядки / разрядки и малой допустимой глубиной разрядки.

По своему назначению свинцово-кислотные аккумуляторные батареи делятся на несколько групп.

Среди них стартерные (используются для пуска двигателей внутреннего сгорания), стационарные (в качестве резервного источника питания, в том числе ВИЭ), тяговые (для электротранспорта), переносные (для электроснабжения инструментов и приборов).

Литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы содержат углеродный материал в качестве отрицательного электрода, в который обратимо включаются ионы лития.

Оксид кобальта, в который также обратимо включаются ионы лития, используется в качестве положительного электрода.

Принцип действия этой электрохимической системы основан на интеркаляции — обратимом включении молекул или групп между другими молекулами или группами. Ионы лития входят в состав разных соединений при разных электрохимических потенциалах.

Транспорт ионов лития между электродами осуществляется с помощью органического электролита, который включает смесь органических растворителей и соли лития.

Использование органических электролитов увеличивает напряжение по сравнению с обычными кислотными и щелочными системами.

Если аккумулятор заряжается, ионы лития вставляются в материал анода. При разрядке ионы лития высвобождаются и переносятся на катод, а высвобожденные электроны генерируют электрический ток во внешней цепи.

Этот тип аккумуляторов отличается высокой емкостью и глубоким циклом зарядки, достигающим 70-80%. В то же время экономическая целесообразность их использования зависит от типа электрохимических систем в катоде и аноде, а также от температуры и условий эксплуатации. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, наклонную кривую разрядки и относительно высокий саморазряд.

Из-за высокой удельной энергии производство этих систем за последние годы резко увеличилось.

Никель-ионные батареи

Последняя технология хранения электрической энергии и третье поколение никель-ионных аккумуляторов — это системы, которые используют феррофосфат лития в качестве катодного материала.

Это превосходный материал для аккумуляторов, который способен отдавать почти весь накопленный литий, оставаясь стабильным. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов — высокая удельная энергоемкость.

Таким образом, литий-ионные батареи третьего поколения стали безопасными и высокоэффективными.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи известны давно. Принцип действия их основан на образовании гидроксида кадмия на аноде и гидроксида никеля на катоде. В качестве электролита используется раствор гидроксида калия, поэтому их еще называют щелочными батареями. Они способны работать при низких температурах, а допустимые токи зарядки и разрядки значительно выше по сравнению со свинцово-кислотными батареями.

Эти преимущества позволяют широко использовать никель-кадмиевые аккумуляторы в транспортных, авиационных и стационарных системах. В то же время у никель-кадмиевых аккумуляторов есть такой недостаток, как эффект «памяти». Их энергопоглощение существенно снижается, когда разрядка или зарядка не завершены. Для из зарядки применяются специальные алгоритмы.

Несмотря на все перечисленные выше недостатки, никель-кадмиевые батареи считались альтернативой свинцово-кислотным батареям в электротранспорте вплоть до появления более современных и менее требовательных систем.

Однако они не смогли полностью заменить свинцово-кислотные батареи, в основном из-за высокой стоимости, трудоемкой технологии производства и дефицита кадмия и никеля.

Источник: ESFC Investment Group: Технологии хранения электрической энергии

Статьи

Кулова Т.Л., Николаев И.И., Фатеев В.Н., Алиев А.Ш. - Современные электрохимические системы аккумулирования энергии (2018)