Исследование гарвардских ученых посвящено разработке высокоемкостных батарей, которые сохраняют энергию в органических молекулах квинонах и пищевых добавках ферроцианид. Сотрудники американского университета изучили около миллиона различных типов квинонов и разработали новый класс электролитов для батарей. Команда Гарварда заменила металлические ионы, используемые в качестве стандартных электролитов, квинонами — молекулами, которые переносят электроны в фотосинтезирующих клетках растений. В 2015 году они разработали квинон, который может работать в щелочной среде.
Батареи, основанные на этой технологии, хранят энергию во внешних блоках: чем больше блок, тем больше энергии можно накопить. Ученые Гарварда нашли вдохновение в витамине В2, который помогает сохранять энергию от еды в организме. Ключевая разница между квиноном и витамином в том, что в первом случае в перемещениях электронов участвуют именно атомы азота, а не кислорода. При этом было необходимо только немного модифицировать оригинальную молекулу витамина.
Проект ученых может полностью изменить рынок накопления энергии, потому что квиноны не воспламеняются, нетоксичны, не разъедают другие вещества, а также очень дешевы в производстве. Они стабильны, хорошо растворимы и обеспечивают отличное электрическое напряжение и энергоемкость.
Стоит отметить, что исследования квинонов в области накопления энергии ведутся не только в США. Например, пару лет назад польские и швейцарские ученые разработали технологию преобразования жидких отходов целлюлозно-бумажных комбинатов, содержащих квиноны, в катоды литий-ионных аккумуляторов. Существенная польза от этого заключается в широкой доступности сырья для производства.
Однако подобные разработки должны пройти длинный путь от стадии прототипирования до выхода на рынок. При этом не стоит делать преждевременных выводов о дешевизне промышленного производства батарей, которые создали гарвардские исследователи, отметил инженер-исследователь кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Александр Атращенко. Недавно он получил грант в размере двух миллионов рублей на развитие проекта «Новое поколение суперконденсаторов». Суперконденстаторы помогут заменить литий-ионные батареи, которые долго заряжаются и небезопасны в утилизации. Сейчас команда Александра готовит заявку в фонд ARPA-E.
«В данный момент накопители энергии — это „больная тема“. Неслучайно проект ученых из Гарварда был профинансирован через фонд ARPA-E, который поддерживает перспективные разработки в области хранения и выработки электричества. В основном, проекты по накоплению энергии направлены на удешевление ее хранения и возможность быстро включать хранилища в пиковые моменты (технология smart grid; это позволяет иметь меньше генерирующих мощностей). Сегодня требованию дешевизны удовлетворяет технология создания запасов энергии за счет гидроаккумулирующих электростанций, где аккумуляция энергии осуществляется подъемом воды в заранее созданное хранилище, а сама энергия на подъем берется от другого возобновляемого источника энергии, например, ветрогенератора. Также в этом смысле перспективны механические накопители, к примеру, сильно раскрученное тяжелое колесо или, из реализованных проектов, поезд, который днем едет вверх на возвышенность за счет солнечной энергии, а ночью спускается вниз, вырабатывая электричество. Конечно, дешево и классическое тепловое накопление, например, это проекты солнечно-тепловых электростанций», — прокомментировал он.
Таким образом, основная проблема современной энергетики — это дороговизна хранения электричества в больших объемах. Это сдерживает переход к повсеместному использованию возобновляемых источников энергии, которые нельзя получить по запросу и которые накапливают энергию только во время определенных погодных условий. К примеру, в Дании, где большая часть энергопотребностей покрывается за счет альтернативной энергетики, все равно держится избыточная мощность ТЭЦ на классических источниках энергии, которые в любую минуту готовы включиться в сеть и заместить собой неработающий источник альтернативной энергии, уточнил Александр Атращенко.
Технология ученых из Гарварда как раз может помочь в сетях smart-grid для компенсации пиков потребления электроэнергии, а также служить в качестве базового накопителя.
Для увеличения энергоэффективности различных устройств по всему миру, в том числе в Университете ИТМО, ведутся активные разработки с применением гибридных наноструктур. Их можно использовать и для фотовольтаических элементов — например, в солнечных батареях. Эффективность таких батарей не достигает 100%, так как они не поглощают свет в инфракрасном диапазоне. Однако можно создать гибридную структуру с квантовыми точками, которая будет поглощать световые волны всего спектрального диапазона.
В будущем полноценное использование возобновляемых источников энергии может привести к улучшению экологической обстановки и качества жизни населения, также увеличится непрерывное время работы устройств. Будущее близко: так, например, 26 июля завершил кругосветное путешествие самолет Solar Impulse 2, работающий на солнечных батареях.
