eng
Российские химики создали батарею,
которая может работать на химических отходах
С каждым годом в мире производят все больше электричества, поэтому растет потребность в накопителях энергии. Они бывают разного типа – от привычных литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных батарей до водородных топливных элементов.
У каждой технологии свои плюсы и минусы: какие-то накопители почти не разряжаются в режиме простоя и поэтому подходят для долгосрочного хранения электричества, другие могут выдавать очень большие токи, а третьи – хранить рекордное количество энергии в пересчете на единицу своей массы, что делает их незаменимыми для дальних походов или космических полетов и др.
В 70‑х годах 20 века ученые предложили концепцию нейтрализационной батареи, в которой энергия получается за счет разницы в значениях рН двух жидкостей, называемых электролитами. Фактически – это топливо, которое превращается в электричество.
Нейтрализационные батареи обладают достаточно низкими характеристиками: они не дают большие мощности при разряде и не могут хранить большие объемы энергии, однако обладают важным преимуществом – невысокой стоимостью электролитов. Для литий-ионных аккумуляторов нужны сравнительно дорогие соли лития, для водородных топливных элементов нужен водород, а нейтрализационные батареи могут использовать практически любые жидкости, например стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств или даже морскую воду.
«Если взять какую-нибудь кислоту и щелочь – например, банальные гидроксид натрия NaOH и соляную кислоту HCl – и слить их вместе, то у нас самопроизвольно пойдет реакция нейтрализации. Из NaOH и HCl образуется соль NaCl, а оставшиеся –ОН и –H сольются в воду – H2O. Суммарная энергия, запасенная в химических связях NaCl и H2O ниже, чем у исходной кислоты и щелочи, и поэтому в этой реакции появляется избыток энергии, который рассеивается вместе с теплом. Проще говоря, стакан, в котором мы смешали исходные реагенты, нагревается», – рассказывает сотрудник лаборатории ЭМХИТ РХТУ и первый автор работы Павел Локтионов. «В нейтрализационной батарее мы проводим точно ту же реакцию, но только разбиваем ее на две полуреакции и разносим их в пространстве. На одном электроде протекает одна полуреакция, на другом – другая, а в сумме они дают ту же самую реакцию нейтрализации, но только энергия здесь выделяется не в виде тепла, а в виде электронов, которые образуются в одной полуреакции и потребляются в другой. Поначалу эта идея кажется каким-то трюком, уловкой, в которой электричество получается почти из ничего, но потом видишь, что батарея работает: она запасает и высвобождает электричество в полном соответствии с формулами и здравым смыслом».
Круговорот веществ в батарее
Существуют разные конструкции нейтрализационной батареи, но все их объединяет общая идея – две жидкости с отличным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но зато вступают в электрохимические реакции, некоторые продукты которых переходят из одной емкости в другую. За счет такого своеобразного круговорота веществ и выделяется, или наоборот, запасается энергия.
Ключевая идея батареи российских ученых – это использование двух водородных электродов, то есть в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная реакция нейтрализации составляется именно из них.
Сама разработанная ячейка была разделена на три части. В левую, прикатодную часть непрерывно подавался HCl, который диссоциировал на протоны H+ и хлорид-анионы Cl–, а в правую, прианодную – NaOH, который в свою очередь диссоциировал на Na+ и OH+. При разряде батареи на катоде ионы H+ превращались в H2. Дальше водород перемещался в правую треть батареи, где уже встречался с OH– на аноде с образованием молекулы воды.
Таким образом, поток водорода в этой системе закольцован – при заряде он выделяется слева на катоде и потребляется справа на аноде. Точно так же закольцован и поток электронов – они наоборот выделяются справа на аноде, уходят во внешнюю цепь, там совершают полезную работу, а потом переходят на катод, чтобы поучаствовать в реакции восстановления H+. Наконец, в центральную часть батареи перемещаются ионы Na+ и Cl–, образовавшиеся при диссоциации кислоты и щелочи. Там Na+ и Cl– объединяются в соль NaCl, как и должно быть в реакции нейтрализации. При этом все реакции и потоки можно обратить в обратном направлении – тогда батарея будет не разряжаться, а заряжаться.
В работе проведена оценка того, как на характеристики новой нейтрализационной батареи влияют концентрации кислоты и щелочи, а также структура каталитической поверхности электродов, на которых протекают окислительно-восстановительные реакции. Показано, что эффективность работы батареи сейчас определяется в основном реакцией окисления водорода на аноде. После оптимизации всех условий получилась батарея с удельной мощностью до 6,1 мВт / см2 и плотностью хранимой энергии до 7,4 Вт-ч / л.
Как разглядеть атомную электростанцию в химических стоках?
«По сравнению с другими накопителями энергии у нас получились скромные показатели – например те же литий-ионные аккумуляторы дают плотность энергии где-то до 600 Вт · ч / л», – рассказывает Павел Локтионов. «Но среди именно нейтрализационных батарей мы наоборот получили очень неплохие цифры, а теперь стараемся их улучшить. Так, плотность хранимой энергии можно поднять в разы за счет увеличения концентрации электролитов – мы использовали растворы кислоты и щелочи концентрацией 1 моль / л, хотя их предельная растворимость гораздо больше. А удельную мощность можно заметно повысить, если еще поработать с электродными поверхностями. После таких доработок нейтрализационная батарея вполне может найти свою нишевую область применений».
Так, по оценкам некоторых исследователей, если в качестве кислых электролитов нейтрализационных батарей просто использовать стоки, которые образуются при производстве серной и фосфорной кислоты, то суммарно будет получаться 1 100 ГВт · ч энергии в год. Для сравнения все атомные электростанции России вырабатывают ежегодно около 200 ГВт · ч энергии. При этом важно не забывать, что нейтрализационная батарея – это вторичный источник тока, то есть она может не только разряжаться, необратимо «сжигая» топливо, но еще и потом обратно заряжаться.
Полученные результаты – пока только принципиальная демонстрация работоспособности новой конструкции нейтрализационной батареи с двумя водородными электродами, сделанная на разбавленных растворах HCl и NaOH. Но в перспективе, такая нейтрализационная батарея, конечно, может использовать и более концентрированные растворы или вообще другие электролиты. Сейчас исследователи дорабатывают конструкцию нейтрализационной батареи и готовят патент на разработку. Результаты работы опубликованы в ChemSusChem (Q1) 2021 DOI: 10.1002/cssc.202101460.
Исследование проведено сотрудниками Лаборатории ЭМХИТ РХТУ им. Д. И. Менделеева в коллаборации с исследователями из ИПХФ РАН и ИФХЭ РАН в рамках проекта РНФ № 21-73-30029, а также Государственного задания АААА-А19-119061890019-5.
Подготовлено по материалам отдела научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева
которая может работать на химических отходах
С каждым годом в мире производят все больше электричества, поэтому растет потребность в накопителях энергии. Они бывают разного типа – от привычных литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных батарей до водородных топливных элементов.
У каждой технологии свои плюсы и минусы: какие-то накопители почти не разряжаются в режиме простоя и поэтому подходят для долгосрочного хранения электричества, другие могут выдавать очень большие токи, а третьи – хранить рекордное количество энергии в пересчете на единицу своей массы, что делает их незаменимыми для дальних походов или космических полетов и др.
В 70‑х годах 20 века ученые предложили концепцию нейтрализационной батареи, в которой энергия получается за счет разницы в значениях рН двух жидкостей, называемых электролитами. Фактически – это топливо, которое превращается в электричество.
Нейтрализационные батареи обладают достаточно низкими характеристиками: они не дают большие мощности при разряде и не могут хранить большие объемы энергии, однако обладают важным преимуществом – невысокой стоимостью электролитов. Для литий-ионных аккумуляторов нужны сравнительно дорогие соли лития, для водородных топливных элементов нужен водород, а нейтрализационные батареи могут использовать практически любые жидкости, например стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств или даже морскую воду.
«Если взять какую-нибудь кислоту и щелочь – например, банальные гидроксид натрия NaOH и соляную кислоту HCl – и слить их вместе, то у нас самопроизвольно пойдет реакция нейтрализации. Из NaOH и HCl образуется соль NaCl, а оставшиеся –ОН и –H сольются в воду – H2O. Суммарная энергия, запасенная в химических связях NaCl и H2O ниже, чем у исходной кислоты и щелочи, и поэтому в этой реакции появляется избыток энергии, который рассеивается вместе с теплом. Проще говоря, стакан, в котором мы смешали исходные реагенты, нагревается», – рассказывает сотрудник лаборатории ЭМХИТ РХТУ и первый автор работы Павел Локтионов. «В нейтрализационной батарее мы проводим точно ту же реакцию, но только разбиваем ее на две полуреакции и разносим их в пространстве. На одном электроде протекает одна полуреакция, на другом – другая, а в сумме они дают ту же самую реакцию нейтрализации, но только энергия здесь выделяется не в виде тепла, а в виде электронов, которые образуются в одной полуреакции и потребляются в другой. Поначалу эта идея кажется каким-то трюком, уловкой, в которой электричество получается почти из ничего, но потом видишь, что батарея работает: она запасает и высвобождает электричество в полном соответствии с формулами и здравым смыслом».
Круговорот веществ в батарее
Существуют разные конструкции нейтрализационной батареи, но все их объединяет общая идея – две жидкости с отличным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но зато вступают в электрохимические реакции, некоторые продукты которых переходят из одной емкости в другую. За счет такого своеобразного круговорота веществ и выделяется, или наоборот, запасается энергия.
Ключевая идея батареи российских ученых – это использование двух водородных электродов, то есть в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная реакция нейтрализации составляется именно из них.
Сама разработанная ячейка была разделена на три части. В левую, прикатодную часть непрерывно подавался HCl, который диссоциировал на протоны H+ и хлорид-анионы Cl–, а в правую, прианодную – NaOH, который в свою очередь диссоциировал на Na+ и OH+. При разряде батареи на катоде ионы H+ превращались в H2. Дальше водород перемещался в правую треть батареи, где уже встречался с OH– на аноде с образованием молекулы воды.
Таким образом, поток водорода в этой системе закольцован – при заряде он выделяется слева на катоде и потребляется справа на аноде. Точно так же закольцован и поток электронов – они наоборот выделяются справа на аноде, уходят во внешнюю цепь, там совершают полезную работу, а потом переходят на катод, чтобы поучаствовать в реакции восстановления H+. Наконец, в центральную часть батареи перемещаются ионы Na+ и Cl–, образовавшиеся при диссоциации кислоты и щелочи. Там Na+ и Cl– объединяются в соль NaCl, как и должно быть в реакции нейтрализации. При этом все реакции и потоки можно обратить в обратном направлении – тогда батарея будет не разряжаться, а заряжаться.
В работе проведена оценка того, как на характеристики новой нейтрализационной батареи влияют концентрации кислоты и щелочи, а также структура каталитической поверхности электродов, на которых протекают окислительно-восстановительные реакции. Показано, что эффективность работы батареи сейчас определяется в основном реакцией окисления водорода на аноде. После оптимизации всех условий получилась батарея с удельной мощностью до 6,1 мВт / см2 и плотностью хранимой энергии до 7,4 Вт-ч / л.
Как разглядеть атомную электростанцию в химических стоках?
«По сравнению с другими накопителями энергии у нас получились скромные показатели – например те же литий-ионные аккумуляторы дают плотность энергии где-то до 600 Вт · ч / л», – рассказывает Павел Локтионов. «Но среди именно нейтрализационных батарей мы наоборот получили очень неплохие цифры, а теперь стараемся их улучшить. Так, плотность хранимой энергии можно поднять в разы за счет увеличения концентрации электролитов – мы использовали растворы кислоты и щелочи концентрацией 1 моль / л, хотя их предельная растворимость гораздо больше. А удельную мощность можно заметно повысить, если еще поработать с электродными поверхностями. После таких доработок нейтрализационная батарея вполне может найти свою нишевую область применений».
Так, по оценкам некоторых исследователей, если в качестве кислых электролитов нейтрализационных батарей просто использовать стоки, которые образуются при производстве серной и фосфорной кислоты, то суммарно будет получаться 1 100 ГВт · ч энергии в год. Для сравнения все атомные электростанции России вырабатывают ежегодно около 200 ГВт · ч энергии. При этом важно не забывать, что нейтрализационная батарея – это вторичный источник тока, то есть она может не только разряжаться, необратимо «сжигая» топливо, но еще и потом обратно заряжаться.
Полученные результаты – пока только принципиальная демонстрация работоспособности новой конструкции нейтрализационной батареи с двумя водородными электродами, сделанная на разбавленных растворах HCl и NaOH. Но в перспективе, такая нейтрализационная батарея, конечно, может использовать и более концентрированные растворы или вообще другие электролиты. Сейчас исследователи дорабатывают конструкцию нейтрализационной батареи и готовят патент на разработку. Результаты работы опубликованы в ChemSusChem (Q1) 2021 DOI: 10.1002/cssc.202101460.
Исследование проведено сотрудниками Лаборатории ЭМХИТ РХТУ им. Д. И. Менделеева в коллаборации с исследователями из ИПХФ РАН и ИФХЭ РАН в рамках проекта РНФ № 21-73-30029, а также Государственного задания АААА-А19-119061890019-5.
Подготовлено по материалам отдела научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева
Отзывы читателей
