Разработка научных основ для масштабирования высокоэффективных проточных химических источников тока от единичных ячеек до батарей мембранно-электродных блоков

В последние десятилетия происходит глубокая перестройка структуры мирового рынка электроэнергии. Под действием климатических и экологических проблем значительно увеличивается вклад альтернативных источников энергии, прежде всего за счет солнечной и ветровой энергетики. Поскольку производство электричества для данных источников является периодическим, для эффективного использования альтернативных источников тока требуются устройства временного запасания электроэнергии в другой форме с последующим обратным преобразованием в электричество. Среди технологий, способных обеспечить хранение и воспроизведение электроэнергии для перехода на источники периодического действия, особенно интересными с точки зрения экономических показателей выглядят проточные редокс-батареи (ПРБ). Они обладают рядом особенностей, по сравнению с другими видами химических источников тока. В первую очередь, это возможность независимого масштабирования мощности и емкости путем изменения размеров мембранно-электродного блока (МЭБ) и объема используемых электролитов. Во-вторых, благодаря отсутствию сложных распределённых гетерограниц и фазовых переходов, ПРБ теоретически обладают неограниченным ресурсом. Кроме того, до половины капитальной стоимости энергоустановки на основе ПРБ приходится на стоимость электролитов, которые могут быть повторно использованы в другом накопителе или проданы, что значительно повышает экономическую привлекательность ПРБ. Среди различных изучаемых технологий ПРБ в разряд коммерческих приложений уже переходит технология ванадиевых ПРБ (ВПРБ). Внедрены уже десятки энергонакопителей на основе ВПРБ, а в 2020 году в Китае планируется запуск самого большого энергонакопителя в мире (200 МВт/800 МВт-ч), функционирующего также на основе ВПРБ. Однако, даже для ванадиевой токообразующей реакции наблюдается существенный разрыв между ключевыми удельными характеристиками лабораторных прототипов ПРБ (как на основе единичных МЭБ, так и на основе батарей единичных МЭБ) и коммерчески реализованными энергоустановками на их основе. Причина заключается в том, что реальные энергонакопители на основе ВПРБ должны работать с гораздо большим выходным напряжением и мощностями, чем способны обеспечить единичные МЭБ и поэтому в них используются батареи МЭБ, при создании которых нужно учитывать комплекс сложно взаимосвязанных факторов: проблему распределения потоков электролитов; энергетические потери на функционирование насосов; потери напряжения, связанные с наличием шунтирующих токов; а также неоднородное распределение концентрации реагентов, падений потенциалов и плотностей тока как по различным МЭБ, так и по площади электродов внутри одного МЭБ. Основная цель данного проекта - устранить такой разрыв и разработать методологию лабораторных исследований, обеспечивающих устойчивое масштабирование характеристик ПРБ при переходе от единичных МЭБ к батареям МЭБ. Достижение цели подразумевает взаимосвязанные (а) теоретические работы (б) материаловедческие исследования (в) in-situ исследования разрабатываемых единичных ячеек и батарей МЭБ (г) конструкционные работы по прототипированию и изготовлению батарей МЭБ, использующих различные токообразующие реакции Предложенный подход будет апробирован для разработки трех перспективных видов проточных ХИТ: классической ВПРБ, которая в силу своей изученности является хорошим плацдармом для отработки ключевых решений и методик, обеспечивающих устойчивое масштабирование от единичных ячеек МЭБ к батареям МЭБ ПРБ; гибридной водородо-броматной редокс-батареи, впервые предложенной и продемонстрированной членами нашего коллектива, и обладающей уникальным сочетанием ключевых характеристик (высокая плотность хранимой энергий и удельная мощность); и антрахинон-броматной редокс-батареи, сочетающей в себе плюсы броматной катодной полуреакции и органического анолита на основе сульфокислот антрахинона (экономические привлекателен в силу доступности сырья; характеризуется высокими скоростями электронного переноса в соответствующих редокс-реакциях).