Учёные приблизили появление гигантских батарей, способных круглосуточно питать прожорливые ИИ-центры обработки данных. Новый способ производства электролита для ванадиевых проточных аккумуляторов ускорил процесс примерно в три раза, устранил вредные примеси, а используемый катализатор выдержал более 2500 циклов без заметной деградации.
Чем больше строят центров обработки данных для искусственного интеллекта, тем острее становится вопрос бесперебойного энергоснабжения . Серверы работают круглосуточно и требуют огромного количества электричества, тогда как солнечные и ветряные электростанции вырабатывают энергию неравномерно. Чтобы сохранить избыток и использовать его позднее, нужны крупные стационарные накопители.
Одним из наиболее подходящих вариантов считают ванадиевые проточные редокс-батареи, или VRFB. В отличие от обычных аккумуляторов, они хранят энергию в жидком электролите, который находится во внешних резервуарах и прокачивается через батарейный блок. Для увеличения ёмкости достаточно поставить более крупные баки и добавить раствор, не перестраивая всю систему.
Водный электролит не горит, поэтому риск пожара ниже, чем у многих распространённых аккумуляторов. Такое свойство особенно важно для крупных энергетических хранилищ рядом с дата-центрами и объектами возобновляемой энергетики . Однако массовому выпуску VRFB мешает сложное и дорогое производство ванадиевого электролита.
Перед запуском батареи ванадий в растворе должен иметь среднюю степень окисления +3,5. Показатель описывает электронное состояние ионов металла. Нужное значение получают за счёт смеси соединений ванадия с разными степенями окисления.
Обычный производственный процесс проходит в два этапа. Сначала ионы ванадия восстанавливают химическим реагентом, который передаёт им электроны. Затем состав доводят до требуемого состояния электрическим током. Финальная операция требует дорогостоящего батарейного блока и большого количества энергии, повышая стоимость готового электролита.
Ранее исследователи заменили электрохимическую обработку каталитическим восстановлением. Для реакции использовали платину, нанесённую на углерод. Однако дальнейшие эксперименты показали, что основная задержка возникает раньше, во время обработки раствора щавелевой кислотой.
Скорость реакции резко падает, когда средняя степень окисления ванадия достигает примерно +4,1. До нужного значения +3,5 остаётся ещё заметный путь, но химическое восстановление в этой точке сильно замедляется. Именно скрытая задержка растягивала производство.
Учёные изменили момент перехода между двумя способами обработки. Щавелевую кислоту используют только до достижения +4,1, после чего дальнейшее восстановление проводит платиновый катализатор. Новая последовательность позволяет пропустить самый медленный участок реакции.
Время получения электролита со средней степенью окисления +3,5 сократилось на 67% по сравнению с обычным процессом. Каталитическая стадия также избавила раствор от остатков щавелевой кислоты. Примесь может ухудшать работу аккумулятора, поэтому её удаление повышает качество готового состава.
Платина относится к дорогим металлам, поэтому для промышленности особенно важна возможность многократно использовать один катализатор. Во время испытаний материал выдержал более 2500 циклов без заметного снижения активности. Производителю не придётся постоянно заменять его после коротких серий обработки.
Чтобы найти причину замедления, специалисты совместили расчёты химического равновесия с анализом скорости реакций. Сначала они определили проблемную степень окисления, затем подобрали точный момент перехода от щавелевой кислоты к платиновому катализатору. Требуемый состав электролита при этом сохранился.
Принцип работы ванадиевой проточной батареи не изменился. Учёные ускорили выпуск одного из её главных компонентов и одновременно убрали затратную электрохимическую стадию. Снижение времени обработки, отсутствие вредной примеси и долговечность катализатора делают промышленное производство крупных накопителей заметно реальнее.
Далее процесс будут масштабировать: технологию предстоит перенести из лаборатории на установки, способные стабильно выпускать большие объёмы электролита для промышленных батарей.