ООО "Тайкун", ветроэнергетика в Беларуси, ветровые генераторы.

ScienceDaily (ноябрь. 23, 2011) – исследователи из Стэнфорда применили наночастицы медного соединения для разработки высокомощного аккумуляторного электрода недорогого в производстве, настолько эффективного и долговечного, чтобы его можно было использовать для постройки хранилищ энергии достаточно больших и экономически целесообразных при их эксплуатации в системе энергоснабжения. Такие аккумуляторы ученые искали на протяжении нескольких лет.

Исследование предлагает многообещающее компромиссное решение проблемы при выработке энергии ветра и солнца при меняющихся погодных условиях.

Солнце светит не постоянно, а ветер дует не всегда, в этом, пожалуй, и заключается наибольшая трудность в крупномасштабном использовании этих видов получения электроэнергии. Если бы только существовал эффективный и долговечный, высокомощный, перезаряжаемый аккумулятор, то мы могли бы накапливать большое количество избыточной энергии, генерируемой ветром и солнцем до тех пор, пока она не понадобится.

Сегодня исследователи Стэнфорда разработали часть этой невероятной батареи - новый электрод, который использует кристаллические наночастицы медных соединений.

В лабораторных тестах электрод перенес 40 000 циклов заряда-разряда, после чего он все еще мог быть заряжен до более чем 80% исходной мощности. Для сравнения, средний литий-ионный аккумулятор может вынести только 400 циклов заряда-разряда до момента, когда дальнейшая зарядка потеряет практический смысл.

"Учитывая частоту циклов в день, данный электрод может успешно выполнять свои функции на протяжении 30 лет в энергосети", - утверждает Колин Весселс, аспирант в области применения материалов, авторский руководитель статей, описывающих исследование, опубликованных на этой неделе в Nature Communications.

"Это прорыв в производительности – аккумулятор способный десятки тысяч раз перезаряжаться и не подводить", - сказал Yi Cui, адъюнкт-профессор в области применения материалов, соавтор и референт Весселса.

Устойчивость электрода обеспечивается атомной структурой кристаллической меди для получения которой используется гексацианоферрат. Кристаллы имеют открытую структуру, позволяющую ионам – частицам несущим электрический заряд, чьи движения и массы заряжают или разряжают аккумулятор – легко проходить внутрь или наружу без повреждения электрода. Большинство аккумуляторов разрушаются из-за накапливающихся повреждений в кристаллической структуре электрода.

Из-за свободного движения ионов цикл заряда и разряда электрода невероятно быстрый, что важно, т.к. объем энергии накапливаемой в аккумуляторе пропорционален скорости разряда электрода.

Для увеличения выгоды открытой структуры, исследователям необходимо использовать ионы нужного размера. Слишком большие ионы будут застревать, что может вызвать разрушение кристаллической решетки, при движении ионов внутрь и наружу. Слишком малые ионы могут быть  притянуты на одну из сторон пространства между атомами, вместо того, чтобы легко его проскакивать. Оптимальными ионами оказались у гидратированного калия, намного лучшие по сравнению другими гидратированными ионами натрия и лития.

"Это превосходно, действительно", - утверждает Cui. Калий будет увеличивать и уменьшать, таким образом можно получить невероятно высокомощный аккумулятор.

Скорость электрода в дальнейшем будет усовершенствована, потому что частицы материала электрода, который синтезировал Весселс, крошечные даже по меркам наночастиц – всего 100 атомов в длину.

Такие скромные размеры позволяют ионам, не проникая глубоко в электрод для взаимодействия с активными местами в частице, заряжать его на максимальный заряд или же возвращать заряд при выходе в процессе разрядки.

Множество других исследований, включая работу проделанную группой Cui's, были обращены к литий-ионным аккумуляторам, которые имели высокую энергетическую плотность – это значит размер запасенной энергии зависел от размера аккумулятора. Это делало их хорошим решением для портативных устройств.

Но плотность энергии играет меньшую роль, когда речь идет об энергосистеме. Появляется возможность использовать аккумулятор размером с дом, т.е. нет необходимости делать его портативным. Стоимость другой важный фактор.

Некоторые компоненты в литий-ионных аккумуляторах дорогие, и никто не знает наверняка, смогут ли такие аккумуляторы быть экономически целесообразны для энергосистемы.

"Мы решили нам нужно создать «новую химию» если мы собираемся создать дешевый аккумулятор и электрод для сети", - сказал Весселс.

Исследователи останавливаются на электролитах основанных на воде, которые Весселс описывает как «основные сравнимые по стоимости органические электролиты», такие какие используются в литий-ионных аккумуляторах. Они делали электрические компоненты аккумулятора из легкодоступных материалов, таких как железо, медь, углерод и азот – материалы недорогие по сравнению с литием.

Единственным существенным ограничением для нового электрода является то, что химические свойства позволяют его использовать только как высоковольтный электрод. Но аккумулятору нужно два электрода – катод с высоким напряжением и анод с низким напряжением – чтобы создать разность потенциалов, которая произведет электричество. Исследователям необходимо найти другой материал для анода, чтобы создать полноценный аккумулятор.

Но Cui говорил, что уже есть несколько перспективных вариантов для материала анода.

Даже несмотря на то, что полноценный аккумулятор пока не создан, производительность нового электрода превосходна по сравнению с любым существующим аккумуляторным электродом, Роберт Хаггинс, почетный профессор материаловедения, из команды которая работала над проектом, сказал, что электрод «стремится предоставить электрохимическое решение важного вопроса при выработке энергии ветра и солнца» при обычных ситуациях для таких станций, как например туча над солнечной станцией.

Cui и Wessells отметили, что другие материалы для электродов которые они использовали в лабораторных условиях не смогут найти массового применения. Что не касается рассматриваемого электрода.

Весселс легко получил несколько грамм необходимого материала в лаборатории и он утверждает, что процесс промышленного производства будет налажен без существенных проблем.

«Мы поместили элементы в колбу и получили материал для электрода. Вы можете повторить это с любым количеством материала», - заключил он.

«Нет ни одного технологического препятствия, чтобы производить довольно большие аккумуляторы».

Источник: www.sciencedaily.com