Исследователи из Центра компетенций НТИ при ИПХФ РАН, РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИФХЭ РАН разработали нейтрализационную батарею – устройство, способное генерировать электричество за счет разности рН двух жидкостей. Например, в ней можно использовать, стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств.

Конструкцию нейтрализационной батареи отработали на разбавленных растворах HCl и NaOH. Была показана принципиальная возможность перезаряда устройства, а ее удельная мощность достигала более 6 мВт/см2 – это один из самых высоких показателй среди всех нейтрализационных батарей.

Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem.

С каждым годом в мире производят все больше электричества и людям нужно всё больше накопителей энергии. Они бывают разного типа – от привычных литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных батарей до водородных топливных элементов и многих других. У каждой технологии свои плюсы и минусы: какие-то накопители почти не разряжаются в режиме простоя и поэтому подходят для долгосрочного хранения электричества, другие могут выдавать очень большие токи, а третьи – хранить рекордное количество энергии в пересчету на единицу своей массы, что делает их незаменимыми, например, для подводных лодок.

Среди накопителей энергии бывают и особенно экзотические. Так, в 70-ых годах XX века ученые предложили концепцию нейтрализационной батареи, в которой энергия получается за счет разницы в значениях рН двух жидкостей, называемых электролитами. Фактически – это топливо, которое превращается в электричество. Нейтрализационные батареи обладают достаточно низкими характеристиками: они не дают большие мощности при разряде и не могут хранить большие объемы энергии, но зато у них есть важное преимущество – стоимость электролитов.

Для литий-ионных аккумуляторов нужны сравнительно дорогие соли лития, для водородных топливных элементов нужен водород, а нейтрализационные батареи могут использовать практически любые жидкости – например стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств или даже морскую воду.

“Если взять какую-нибудь кислоту и щелочь – например банальные гидроксид натрия NaOH и соляную кислоту HCl – и слить их вместе, то у нас самопроизвольно пойдет реакция нейтрализации. Из NaOH и HCl образуется соль NaCl, а оставшиеся -ОН и -H сольются в воду – H2O. Суммарная энергия, запасенная в химических связях NaCl и H2O ниже, чем суммарная энергия исходной кислоты и щелочи, и поэтому в этой реакции появляется избыток энергии, который рассеивается вместе с теплом. Проще говоря стакан в котором мы смешали исходные реагенты нагревается, – рассказывает аспирант ИПХФ РАН, сотрудник лаборатории ЭМХИТ РХТУ и первый автор работы, Павел Локтионов. – В нейтрализационной батарее мы проводим точно ту же реакцию, но только разбиваем ее на две полуреакции и разносим их в пространстве. На одном электроде протекает одна полуреакция, на другом другая, а в сумме они дают ту же самую реакцию нейтрализации, но только энергия здесь выделяется не в виде тепла, а в виде электронов, которые образуются в одной полуреакции и потребляются в другой. Поначалу эта идея кажется каким-то трюком, уловкой, в которой электричество получается почти из ничего, но потом видишь, что батарея работает: она запасает и высвобождает электричество в полном соответствии с формулами и здравым смыслом”.

Круговорот веществ в батарее

Существуют разные конструкции нейтрализационной батареи, но все их объединяет общая идея – две жидкости с отличным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но зато вступают в электрохимические реакции, некоторые продукты которых переходят из одной емкости в другую. За счет такого своеобразного круговорота веществ и выделяется или, наоборот, запасается энергия.

Ключевая идея батареи, придуманная сотрудником ИФХЭ РАН Александром Модестовым и реализованная сотрудником Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН Дмитрием Коневым – это использование двух водородных электродов, то есть в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная реакция нейтрализации составляется именно из них.