Электрохимическая ячейка впервые превзойдёт по энергоёмкости бензин
Группа исследователей из университета Массачусетса в Бостоне (University of Massachusetts, Boston) во главе с доктором Стюартом Личтом (Stuart Licht) разработала новый тип возобновляемого электрохимического источника тока. По расчётам, он впервые сможет превзойти по удельной ёмкости бак с бензином, а также — все другие электрохимические генераторы и все типы перезаряжаемых аккумуляторных батарей.
Пока это только первое исследование, подкреплённое вычислениями и химическими опытами, однако если оно дойдёт до практического устройства, пригодного для массового применения, это может означать новый этап в истории электромобилей. Ведь их распространение сдерживает отсутствие источников питания электромоторов, способных потягаться с бензином по удельной (на литр объёма) ёмкости.
Авторы работы, опубликованной в ChemComm, подчёркивают — когда они говорят о превосходстве новой системы хранения энергии над бензином, подразумеваются практически достижимые значения удельной ёмкости, с учётом всех потерь. То есть включая реальный КПД мотора для бензинового авто, а для электрохимического бортового генератора — потери напряжения в элементе, необходимость в электродах, электролите, корпусе и прочих узлах и деталях самой системы, занимающих немалый объём и имеющих существенный вес, и так далее…
Итак, новый тип электрохимической ячейки может превзойти по «калорийности» и бензин (причём — почти вдвое), и жидкий водород (в два с лишком раза), и воздушно-цинковые элементы (почти втрое), и литиево-ионные батареи (в десять раз), и уж тем более — свинцово-кислотные аккумуляторы (примерно в 60-70 раз).
Называется новинка vanadium boride air cell, что можно перевести как воздушно-ванадиево-боридный элемент. По принципу действия и устройству, а также по составу электролита и катода он сходен с давно известным воздушно-цинковым элементом (zinc-air fuel cells), в котором электричество производится при окислении цинка.
Последний находится в самом элементе, и по израсходовании этого топлива его нужно менять — путём смены каких-либо картриджей или цинковой пасты.
Точно так же дело обстоит и в ванадиево-боридном генераторе. Только топливом служит не цинк, а борид ванадия.
Причём окисляются оба элемента, так что при работе новой ячейки образуются оксид ванадия и оксид бора.
Каковы же его возможности? Теоретическая плотность энергии самого VB2 составляет 27 киловатт-часов на литр.
А вот практическую плотность энергии, с учётом присутствия всех реальных элементов такой ячейки, авторы исследования оценили как 5 киловатт-часов на литр. Сравните это с бензином: 9,6 киловатт-часа на литр для самого топлива в теории и 2,7 киловатт-часов на литр — на практике, с учётом реального КПД ДВС.
Те же серийные воздушно-цинковые батареи со сменными картриджами, родственные VB2-ячейке, обладают фактической удельной ёмкостью 1,75 киловатт-часа на литр, а типичные литиевые аккумуляторы могут похвастать лишь показателем в 0,5 киловатт-часа на литр.
Интересно, что в своей работе авторы предусмотрели решение многих проблем ванадиево-боридного элемента. Скажем, коррозию VB2, приводящую к быстрой потере ёмкости, но главное — к выпуску водорода, который может разрушить элемент и к тому же — огнеопасен.
Учёные говорят, что стабилизировать анод из борида ванадия довольно легко путём нанесения на него тонкого покрытия из диоксида циркона.
Цикл круговорота соединений, обеспечивающий поставку солнечной энергии в авто с плотностью её «аккумулирования», превосходящей плотность энергии в бензине (иллюстрация Licht et.al.).
Ещё интереснее, что исследователи разработали и схему регенерации прореагировавшего с воздухом борида ванадия. Она представляет собой целую цепочку реакций с участием магния в присутствии соляной кислоты, воды и при энергетической подпитке всего этого круговорота веществ от солнечных лучей.
Фактически, предполагают авторы работы, специальные предприятия могут довольно просто «паковать» солнечную энергию в виде борида ванадия, который пойдёт на зарядку электрохимических ячеек авто и после израсходования — уже в виде оксидов бора и ванадия — вернётся на тот же завод для повторного восстановления.
Читайте также рекорде дальности пробега на экологически чистом топливе, электрохимических топливных ячейках на сильном яде, а также — проекте перевода машин на крахмал и сироп.
07 Ячейки мокрого электролизера
