Российские ученые синтезировали новый углеродный композитный материал для создания ванадиевых батарей, предназначенных для эффективного хранения больших объемов энергии.
Биполярные пластины, сделанные из такого материала, устойчивы к коррозии, просты в производстве и использовании и могут существенно снизить стоимость «зеленой» электроэнергии для конечного потребителя. Исследование было опубликовано в журнале Materialstoday Communications.
Поскольку возобновляемая энергетика в существенной степени зависит от погоды и времени суток, для ее прорывного развития нужны мощные и доступные системы хранения энергии. Ванадиевая проточная батарея в настоящее время представляет собой наиболее перспективный тип перезаряжаемого химического источника тока для создания накопителей электроэнергии большого и среднего масштаба, необходимых для решения задач современной энергетики.
Проточная батарея – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. В ней жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.
Основной компонент такой батареи – металлическая биполярная пластина, в которой происходит преобразование энергии в электричество. Как правило, они делаются из графита, который обладает прекрасной электропроводностью и химической стабильностью, однако к его недостаткам можно отнести значительную проницаемость электролитами, что снижает эффективность и сокращает срок службы батареи, а также сложный технологический процесс обработки исходного сырья.
Группа ученых из Университета «МИСИС», Института проблем химической физики РАН, Сколтеха, РХТУ им. Д.И. Менделеева совместно со специалистами компании «ИнЭнерджи» предложили в качестве материала для изготовления биполярных пластин вместо мелкозернистого изотропного графита использовать высоконаполненный проводящими углеродными наполнителями карбонизированный эластомерный композит. Такой материал отличается высокой химической стойкостью и дает возможность регулировать электрические и механические свойства сделанной из него пластины.
Биполярные пластины были изготовлены с использованием углеродных волокон марки Toray T700, измельченного искусственного графита и технического углерода марки N220. Окончательное формирование свойств осуществлялось путем нагрева в инертной среде до температуры 340 градусов Цельсия.
Общая объемная доля углеродных наполнителей в полученных образцах составила 75% от общей массы. В том числе доля углеродных волокон до 12,25 процентов. С увеличением степени наполнения углеродными волокнами механические свойства полученного композиционного материала возрастают.
«Разработанный материал может стать отличной заменой для применяемых сегодня импортных углерод-композитных материалов биполярных пластин проточных батарей. Однако сначала требуется дождаться результатов ресурсных испытаний в реальных устройствах для подтверждения долгосрочной стабильности материала», — сказал автор работы, эксперт Центра энергоэффективности Университета «МИСиС» к.ф-м.н Андрей Усенко.
Синтезированный российскими учеными композит имеет однородную структуру, обладает стойкостью к электролитам и электропроводностью, достаточной для его использования в промышленных ванадиевых проточных батареях высокой мощности. При этом свойства материала делают возможным его использование для серийного производства биполярных пластин со сложной архитектурой.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда N◦19-79-00334.
Об университете
НИТУ «МИСиС» – динамично развивающийся научно-образовательный центр мирового уровня. В основе целевой модели вуза – стремление внести максимальный вклад в экономику России за счет повышения интенсивности исследовательской деятельности.
Университет входит в топ-500 лучших вузов мира по версии QS WUR и в группу 151+ предметного рейтинга QS Materials Science, являясь лидером в области материаловедения среди российских вузов.
В университете действует более 40 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. В основе образовательной модели вуза лежит интеграция образования и науки. НИТУ «МИСиС» сотрудничает более чем с 1600 крупнейшими компаниями России и мира.
В состав НИТУ «МИСиС» входит 10 институтов и 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В университете 22 000 обучающихся, 25% студентов – граждане из 84 стран мира.
