В новом устройстве все ключевые компоненты представляют собой горячий расплав металлов и солей. Всесторонне проверенный прототип выявил и достоинства, и проблемы такой экзотической схемы.

Необычный стационарный аккумулятор был придуман Дональдом Сэдовеем (Donald Sadoway) и его коллегами из Массачусетского технологического института (MIT) три года назад. Тогда существовали лишь скромные лабораторные образцы, которым предстояло пройти долгий путь совершенствования.

Теперь Сэдовей и его коллеги скорректировали схему и протестировали очередной прототип. Учёные проверили, как устройство выдерживает серию многочасовых циклов заряда-разряда при высоких нагрузках от 50 до 200 мА/см².

Рис. 1. Макет будущей батареи. Три её жидких рабочих слоя показаны красным, жёлтым и зелёным. Вокруг расположены мощные слои теплоизоляции. Слева виден крохотный цилиндрический прототип (фото Martin LaMonica/CNET).

Напомним, что в таком аккумуляторе находятся три слоя расплавов, разделённые между собой исключительно за счёт разной плотности. Верхний слой – это магний (анод), средний – солевой электролит (в последней вариации батареи это MgCl2–KCl–NaCl), нижний – сурьма плюс магний (катод).

Рис. 2. Схема аккумулятора. Рабочая температура устройства – 700 градусов Цельсия. При больших размерах батареи (а её предлагают использовать в стационарном амплуа) токи, протекающие через расплавы при заряде и разряде, достаточны для поддержания нормальной температуры начинки (иллюстрация с сайта greencarcongress.com).

По мере накопления энергии (смотрите схему вверху) магний за счёт электрического тока извлекается из расплава магний-сурьма и в виде ионов переходит на анод, где забирает электроны и превращается в нейтральный металл. При разряде этот же элемент отдаёт электроны и путешествует в обратном направлении. Соответственно меняется толщина основных слоёв.

Как видим, в такой батарее твёрдыми остаются лишь корпус, изоляторы и электрические выводные контакты (токоприёмники). Это означает, что новинка не боится очень больших токов и потенциально обладает высокой живучестью и отказоустойчивостью.

Ломаться и деградировать тут почти что нечему. А внезапно расплавить уже и так расплавленные компоненты даже аварийная нагрузка не сможет. Но это в теории. На практике всё оказалось не так однозначно.

Рис. 3. Тестовый образец ячейки на жидких металлах. Для показа начинки эту батарею охладили, заполнили пустоты эпоксидкой и распилили пополам (фото ACS, Bradwell et al.).

Во-первых, опыт подтвердил стойкость выбранных деталей, несмотря на высокую температуру и агрессивную среду. Более 30 циклов в течение двух недель не привели к каким-либо признакам коррозии твёрдых компонентов (а их искали даже при помощи микроскопии и ряда других методов анализа).

Во-вторых, авторы батареи определили, что она обладает энергетической эффективностью в 69%.

А в-третьих, через несколько недель постоянных циклов опытная батарея вышла из строя. Причина — испарение солевого электролита. Но изобретатели считают, что эта проблема может быть решена путём пересмотра конструкции корпуса.

По словам учёных, магниево-сурьмяная батарея на жидких металлах (Magnesium–Antimony Liquid Metal Battery), так она называется полностью, интересна своей низкой стоимостью и способностью выдавать в сеть большую мощность. Потому на основе таких аккумуляторов можно с низкими затратами строить крупномасштабные накопители энергии.

Рис. 4. Сэдовей, Брэдуэлл и Ортиц. Инвесторами
их компании выступают французский промышленный
гигант Total и Билл Гейтс (фото LMBC).

Ещё в 2010 году Сэдовей и его коллеги – Дэвид Брэдуэлл (David Bradwell) и Луи Ортиц (Luis Ortiz) основали корпорацию Liquid Metal Battery для развития нового типа аккумулятора и вывода его на рынок.

Теперь, после продвижения экспериментов с небольшим прототипом, компания должна перейти к следующему этапу: необходимо оптимизировать дизайн и, возможно, состав твёрдых компонентов батареи (корпус, токоприёмники), провести дополнительные тесты на коррозионную стойкость и, наконец, создать крупную модель, пригодную для тиражирования.

Подробности новой работы можно найти в статье:

David J. Bradwell, Hojong Kim, Aislinn H. C. Sirk, and Donald R. Sadoway Magnesium–Antimony Liquid Metal Battery for Stationary Energy Storage. – J. Am. Chem. Soc. – 2012. – 134. – (4). – pp. 1895–1897; DOI: 10.1021/ja209759s.