Краткое описание: Исследователи разработали инновационный метод изготовления электролита для ванадиевых проточных аккумуляторов, сократив время производства на две трети без ущерба качеству.

Специалисты совершили существенный прорыв в развитии крупнейших накопителей электроэнергии, которые смогут обеспечивать надёжное питание ресурсоёмких центров обработки данных искусственного интеллекта. Разработанная технология изготовления электролита работает в три раза быстрее, исключает вредные компоненты, а применяемый в процессе катализатор остаётся работоспособным более 2500 операций без видимых признаков износа.

С развитием искусственного интеллекта растёт количество создаваемых мощных вычислительных комплексов. Они функционируют постоянно и потребляют огромные объёмы электричества, в то время как альтернативные источники энергии (ветер и солнце) работают непостоянно. Требуются масштабные системы накопления энергии, способные сохранять избыток мощности для использования в дальнейшем.

Специалисты полагают, что ванадиевые редокс-батареи представляют наиболее перспективное решение. В отличие от традиционных аккумуляторов, они аккумулируют электрическую энергию в жидком электролите, расположенном в отдельных баках и передвигаемом через батарейный модуль. Для повышения общей ёмкости системы достаточно установить более вместительные ёмкости и залить дополнительный электролит, не требуя полной переделки аппарата.

Водная основа электролита делает его пожаробезопасным, что существенно снижает угрозу возгорания в сравнении со многими современными батареями. Это качество критично важно для расположенных близко к объектам энергетики и ИИ-центрам крупных хранилищ. Тем не менее, повсеместное внедрение таких батарей затрудняется высокой сложностью и дороговизной синтеза электролита на основе ванадия.

Перед включением батареи ванадий в составе раствора должен находиться в состоянии средней степени окисления +3,5. Этот показатель отражает электронную структуру металлических ионов. Необходимое значение достигается смешиванием различных ванадиевых соединений с неодинаковыми степенями окисления.

Стандартный производственный цикл состоит из двух фаз. На первом этапе электроны передаются ванадиевым ионам при помощи вспомогательного вещества. Затем раствор приводят в целевое состояние применением электрического тока. Этот заключительный этап требует использования дорогого батарейного модуля и существенного количества энергии, что увеличивает затраты на готовый электролит.

В предыдущих разработках исследователи заменили электрохимический метод каталитическим. В качестве активного вещества применяли платину на углеродной основе. Но последующие наблюдения установили, что главное препятствие появляется раньше, при воздействии щавелевой кислотой на раствор.

Скорость химического взаимодействия резко уменьшается в момент, когда средняя степень окисления достигает величины примерно +4,1. До целевого показателя +3,5 ещё предстоит пройти значительное расстояние, но восстановление в этой точке становится крайне затруднённым. Именно эта скрытая проблема замедляла весь процесс производства.

Исследователи сдвинули момент смены между двумя вариантами обработки. Щавелевую кислоту применяют до момента достижения +4,1, затем платиновый катализатор завершает восстановление. Такое изменение последовательности позволяет обойти наиболее медленный фрагмент процесса.

Длительность получения электролита с необходимой степенью окисления +3,5 уменьшилась на 67% относительно традиционной схемы. Каталитический этап также очищает раствор от остатков кислоты. Это загрязнение способно негативно повлиять на функциональность батареи, поэтому его устранение улучшает качество конечного продукта.

Платина является дорогостоящим материалом, поэтому для серийного производства критически важно повторное использование одного катализатора. При тестировании вещество выдержало свыше 2500 применений без видимого снижения эффективности. Производителям не потребуется периодически обновлять его после каждого цикла обработки.

Чтобы выяснить источник замедления, исследователи совмещали математические расчёты химического баланса с изучением динамики реакций. Они установили критическую степень окисления, затем определили оптимальный момент перехода от кислоты к платиновому катализатору. Необходимая характеристика электролита при этом не пострадала.

Механизм функционирования ванадиевой проточной батареи остался неизменным. Исследователи ускорили производство одного из её ключевых элементов и одновременно исключили дорогостоящую электрохимическую операцию. Ускорение обработки, отсутствие вредных примесей и надёжность катализатора делают промышленное производство мощных хранилищ существенно более осуществимым.

Далее предполагается увеличить объёмы: учёные планируют перенести разработку от экспериментальной лаборатории к промышленным аппаратам, способным надёжно производить необходимые количества электролита для коммерческих накопительных систем.