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 соляной кислоты и гидроксида натрия. Удельная мощность устройства достигает более 6 мВт/см2 — это один из самых высоких показателей среди всех нейтрализационных батарей, и его можно перезаряжать. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem.
Накопители энергии бывают разными — от привычных литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных батарей до водородных топливных элементов и многих других. Есть среди них 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.
Такие батареи обладают достаточно низкими характеристиками: они не дают большие мощности при разряде и не могут хранить большие объемы энергии. Но у них есть важное преимущество — стоимость электролитов. Нейтрализационные батареи могут использовать практически любые жидкости — например, стоки отработанных кислот и щелочей с химических производств или даже морскую воду.
Существуют разные конструкции нейтрализационных батарей, но все их объединяет общая идея — две жидкости с разным рН прокачиваются через разные емкости внутри батареи. Они физически не смешиваются между собой, но 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 российских ученых — это использование двух водородных электродов, то есть в обеих емкостях происходят реакции с участием водорода, и суммарная реакция нейтрализации составляется именно из них.
Сама разработанная ячейка была разделена на три части. В левую, прикатодную часть непрерывно подавался HCl, который диссоциировал на протоны H+ и хлорид-анионы Cl-, а в правую, прианодную — NaOH, который в свою очередь диссоциировал на Na+ и OH+. При разряде батареи на катоде ионы H+ превращались в H2. Дальше водород передавался в правую треть батареи, где уже встречался с OH- на аноде и превращался в воду.
Получается, что поток водорода в этой системе закольцован — при заряде он выделяется слева на катоде и потребляется справа на аноде. Точно так же закольцован и поток электронов — они наоборот выделяются справа на аноде, уходят во внешнюю цепь, там совершают полезную работу, а потом приходят на катод, чтобы поучаствовать в реакции восстановления H+. Наконец в третью часть батареи — ту, которая на схеме расположена посередине - приходят ионы Na+ и Cl-, образовавшиеся при диссоциации кислоты и щелочи. Там Na+ и Cl- объединяются в соль NaCl, как и должность быть в реакции нейтрализации. При этом все эти реакции и потоки можно обратить в строго обратную сторону — тогда батарея будет не разряжаться, а заряжаться.
В своей работе ученые оценили, как на характеристики новой нейтрализационной батареи влияет концентрация используемой кислоты и щелочи, а также структура каталитической поверхности электродов, на которых и протекают нужные окислительно-восстановительные реакции. Они показали, что эффективность работы батареи определяется в основном реакцией окисления водорода на аноде. После оптимизации всех условий получилась батарея с удельной мощностью до 6.1 мВт/см2 и плотностью хранимой энергии до 7.4 Вт-ч/л.
“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 рассказывает сотрудник лаборатории ЭМХИТ РХТУ и первый автор работы 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”.
По оценкам некоторых исследователей, если в качестве кислых электролитов использовать стоки, которые образуются при производстве серной и фосфорной кислоты, то суммарно будет получаться 1100 ГВт-ч энергии в год. Сравните: все атомные электростанции России ежегодно вырабатывают около 200 ГВт-ч энергии. При этом нейтрализационная батарея может не только разряжаться, необратимо “сжигая” топливо, но еще заряжаться обратно.
Ученые подчеркивают, что пока их исследование — это только принципиальная демонстрация работоспособности новой конструкции нейтрализационной батареи. Но в перспективе такая нейтрализационная батарея может использовать как более концентрированные растворы, так и другие электролиты. Сейчас исследователи дорабатывают конструкцию своей нейтрализационной батареи и готовят патент на разработку.