Аккумулятор в расплаве
№5(48), май 2009
Дмитрий Лезвоед
Ни один год современная наука пытается создать чистую энергетику, но сталкивается с проблемами ее сохранения. Но, по мнению американских ученых, выход есть.
Классическая аккумуляторная батарея состоит из двух электродов, погруженных в жидкий электролит. При наличии тока зарядки химическая реакция между электролитом и электродами приводит к накоплению электрических зарядов: положительного на положительном и отрицательного на отрицательном электроде.
При разрядке захваченные электродами ионы вновь переходят в раствор, соответственно, накопленные заряды постепенно уменьшаются. Важнейшее свойство электрических аккумуляторов заключается в обратимости проходящих в них химических реакций. Это значит, что, меняя направление движения тока, мы можем заряжать и разряжать аккумуляторы большое количество раз. В обыкновенных батарейках электричество также вырабатывается химическим путем, но заряжаться повторно они не умеют.
Одной из основных проблем, тормозящих развитие зеленой энергетики, является проблема хранения вырабатываемой «чистой» энергии. Да, можно без особых трудностей замостить крышу дома солнечными батареями и получать от них даровой электрический ток. Однако ночью, как раз тогда, когда нам захочется включить лампочки, они окажутся совершенно бесполезны. Аналогичным образом, ветряные генераторы могут вырабатывать энергию только тогда, когда в воздухе наличествует более или менее выраженное движение, что тоже бывает далеко не всегда. Следовательно, энергию нужно как-то запасать, чтобы не остаться без электричества в темное и безветренное время суток.
В повседневной практике для этого используются обыкновенные свинцовые аккумуляторы, однако решение это далеко не идеальное. Емкости стандартного автомобильного аккумулятора хватает на то, чтобы пару раз вскипятить электрический чайник, и все. Это значит, что нам потребуется целая батарея аккумуляторов, между тем стоят они весьма недешево. Наконец, существует еще одна проблема: низкая скорость зарядки и разрядки подобных агрегатов. Чем больше оказывается ток зарядки или разрядки, тем сильнее греются внутренности аккумулятора. В какой-то момент свинцовые пластины, погруженные в электролит, просто начинают плавиться, а сам электролит активно выкипать На практике это означает, что если мы подключим к автомобильному аккумулятору электрический чайник или, скажем, утюг, аккумулятор может очень быстро выйти из строя. Чтобы этого избежать, приходится использовать множество аккумуляторов, равномерно распределяя между ними нагрузку с помощью параллельного соединения.
Стандартный аккумулятор можно представить в виде сосуда с очень узким горлышком. Он может хранить в себе довольно много жидкости (энергии), однако скорость ее закачки и последующего извлечения крайне невелика. Если заполнять или опустошать сосуд слишком быстро, то есть создавать слишком большой электрический ток, сосуд лопается (аккумулятор плавится и выходит из строя). Соединяя аккумуляторы параллельно, мы как бы объединяем два сосуда в единое целое, при этом емкость сосудов и пропускная способность их горлышек складываются.
А теперь представим себе ситуацию: домохозяйка приходит вечером домой и включает одновременно стиральную машинку, микроволновую печь, утюг и еще парочку мощных бытовых потребителей. За день ее электрическое хозяйство выработало и запасло вполне достаточное количество энергии, однако резкий пик потребления может запросто убить аккумуляторы. Единственный выход — заставить аккумуляторами весь подвал. Итоговая батарея будет обладать явно избыточной емкостью, но зато сможет держать пиковый ток разряда. Правда, стоят аккумуляторы весьма недешево, поэтому, в конечном итоге, такая вот «даровая» энергетика влетает в копеечку.
Рабочий прототип жидкого аккумулятора выглядит следующим образом. Представим себе обыкновенную бочку с крышкой. Между телом бочки и крышкой имеется небольшая диэлектрическая прокладка. Все это обернуто слоем теплоизолятора. На дно бочки кладется сурьма — легкоплавкий металл серебристого цвета. Далее идет сульфид натрия — легкоплавкая соль, выполняющий роль электролита. Сверху кладется магний — очень легкий металл серебристого цвета, также обладающий низкой температурой плавления. Это второй электрод, он контактирует с крышкой. В среднем слое, электролите, также содержится некоторое количество антимонида магния — соединения магния и сурьмы. Все это хозяйство нагревается до температуры плавления (порядка 650 градусов) и подключается к электросети: один провод к крышке, другой к бочке. Батарея готова.
При зарядке положительные ионы магния захватывают поступающие в батарею электроны и присоединяются к верхнему электроду в ви-де электрически-нейтральных атомов, параллельно отрицательно заряженные атомы сурьмы теряют свои электроны и в виде все тех же нейтральных атомов присоединяются к нижнему электроду (магний к магнию, сурьма к сурьме). Сами электроды при этом растут, а прослойка электролита, напротив, уменьшается. При разрядке процесс раскручивается в обратную сторону: материал электродов активно растворяется в электролите, высвобождая положительно и отрицательно заряженные ионы. Соответственно, электроды уменьшаются, а слой электролита растет.
Жидкая начинка аккумулятора.
Выход из тупика предложил профессор Дональд Сэдоуэй из Массачусетского технологического института. Рассуждает он приблизительно так: если расплавление внутренностей аккумуляторов при быстром разряде создает нам трудности, почему бы не сделать аккумуляторы полностью жидкими, чтобы расплавленное состояние было для них перманентной нормой?
Сурьма сэдоуэя в деталях.
Смешения различных слоев в жидкой батарее не происходит из-за банальной разности плотностей. Аналогичным образом подсолнечное масло, налитое в стакан поверх более тяжелой и плотной воды, образует сверху компактный сплошной слой и не желает спускаться вниз. Самый тяжелый и плотный элемент аккумулятора Сэдоуэя — сурьма, самый легкий — магний. Даже если хорошенько перемешать содержимое бочки, сурьма, все равно, быстро спустится вниз, магний — всплывет наверх, а сульфид натрия окажется посередине.
Главное преимущество полученной батареи — способность принимать и отдавать гигантские токи без каких-либо повреждений, а также практически неограниченное количество циклов перезарядки. Кроме того, устройство отличается крайне простой конструкцией и состоит из дешевых и доступных компонентов.
По мнению разработчиков, коммерческое внедрение новинки может состояться в течение ближайших пяти лет. Продемонстрированный прототип обладает довольно скромной удельной емкостью, однако ее можно будет существенно улучшить путем более тщательного подбора реактивов. В любом случае, для стационарной установки этот показатель не слишком критичен. Сам Дональд Сэдоуэй считает, что они должны стать непременным атрибутом «зеленых домов», самостоятельно обеспечивающих себя экологически чистой энергией. Впрочем, промышленный потенциал разработки также представляется весьма и весьма большим.