Исследователи из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН 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 показателей среди всех нейтрализационных батарей. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem.
 |
| Схематическое изображение разрядной ячейки батареи в разрезе. Изображение предоставлено авторами исследования. |
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-х 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 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”.
“По сравнению с другими накопителями энергии у нас получились скромные показатели - например те же литий-ионные аккумуляторы дают плотность энергии где-то до 600 Вт·ч/л”, рассказывает Павел Локтионов. “Но среди именно нейтрализационных батарей мы наоборот получили очень неплохие цифры, а теперь стараемся их улучшить. Так, плотность хранимой энергии можно поднять в разы за счет увеличения концентрации электролитов – мы использовали растворы кислоты и щелочи концентрацией 1 моль на литр, хотя их предельная растворимость гораздо больше. А удельную мощность можно заметно повысить если еще поработать с электродными поверхностями. После таких доработок нейтрализационная батарея вполне может найти свою нишевую область применений”.
Так, по оценкам некоторых исследователей если в качестве кислых электролитов нейтрализационных батарей просто использовать стоки, которые образуются при производстве серной и фосфорной кислоты, то суммарно будет получаться 1100 ГВт·ч энергии в год. Для сравнения все атомные электростанции России вырабатывают ежегодно около 200 ГВт·ч энергии. При этом важно не забывать, что нейтрализационная батарея – это вторичный источник тока, то есть она может не только разряжаться, необратимо “сжигая” топливо, но еще и потом обратно заряжаться.
Пока российские ученые подчеркивают, что их исследование – это только принципиальная демонстрация работоспособности новой конструкции нейтрализационной батареи с двумя водородными электродами, сделанная на разбавленных растворах HCl и NaOH. Но в перспективе, такая нейтрализационная батарея, конечно, может использовать и более концентрированные растворы или вообще другие электролиты. Сейчас исследователи дорабатывают конструкцию своей нейтрализационной батареи и готовят патент на разработку.