В последнее время, с широким распространением мобильной связи и всё большим внедрением электрических устройств вокруг нас, мы привыкли к активному использованию средств накопления и хранения электрической энергии. Наиболее часто (по некоторым оценкам, до 90% рынка) это литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы — компактные устройства, способные хранить энергию высокой плотности.

Однако у них есть и свой минус — опасность возгорания, который, надо сказать, в некоторой степени нивелируется (как самой конструкцией, так и средствами контроля заряда/разряда), но всё равно не до конца. Кроме того, они отличаются и относительно высокой стоимостью. 

Несмотря на это, ввиду своих плюсов, они всё равно используются в основном в различных мобильных устройствах, где важны компактность и малый вес.

Для стационарных же применений обычно используют другие типы аккумуляторов, в частности, свинцовые — как электролитные, так и гелевые. 

Однако есть интересный вариант аккумуляторной технологии, которая, в принципе, исключает возгорание с одной стороны, а с другой — превосходит по своим качествам свинцовые аккумуляторы, что делает её достаточно перспективной для пристального рассмотрения: речь сейчас пойдёт о железо-воздушных аккумуляторах.

Для чего годится технология

Сразу надо сказать и о возможностях технологии, чтобы появилось понимание границ её применимости:

• Эта технология не является прямым конкурентом литий-ионных или литий-полимерных технологий, так как плотность хранимой с её помощью энергии на 80-90% уступает литиевым технологиям.

• Вес железо-воздушных аккумуляторов превосходит литиевые аккумуляторы в 5-10 раз.

• Однако (и вот это уже становится интересным!) стоимость хранения энергии в железо-воздушных аккумуляторах также на 85-90% меньше (подразумевается стоимость хранения 1 кВт/ч), чем у сопоставимых литиевых аккумуляторов! Другими словами, составит всего лишь 10-15% от стоимости хранения с помощью литиевой технологии.
  
  Такое кардинальное удешевление объясняется тем, что для железо-воздушных аккумуляторов используются всего лишь очень дешёвые компоненты: железо, атмосферный воздух и водный электролит!

• Ещё один интересный момент: как выше уже было сказано, зачастую для стационарных систем хранения энергии в больших объёмах используются свинцовые (корректнее будет сказать «свинцово-кислотные») аккумуляторы, в составе которых могут быть как собственно электролитные, так и гелевые, а также AGM-версии (удержание электролита в пористом материале из стекловолокна, зажатом между электродными пластинами — расшифровывается как «Absorbent Glass Mat»).
  
  И вот тут железо-воздушная технология раскрывается в полной мере

  • Аккумуляторы такого типа намного превышают свинцово-кислотные по числу допустимых циклов заряд/разряд: например, если у хороших свинцово-кислотных аккумуляторов количество таких циклов может доходить до 1000, то здесь нормальным количеством являются десятки тысяч циклов, и срок действия до 30 лет.

  • Стоимость хранения 1 кВт/ч с помощью железо-воздушных аккумуляторов вплоть до 80% дешевле, чем с применением свинцово-кислотных аккумуляторов.

  • Уменьшены экологические проблемы (как в процессе эксплуатации, так и с последующей утилизацией), так как, по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, железо-воздушные не содержат кислот (правда есть щёлочь), а также токсичных металлов наподобие свинца.

  • В отличие от свинцово-кислотных, где полный разряд аккумулятора не рекомендуется, потому что сильно сокращает срок службы, здесь же железо-воздушный может быть разряжен до 100% без каких-либо последствий.

На первый взгляд, после всего прочитанного выше, наверное, складывается неоднозначное впечатление, что «раз эти аккумуляторы хороши во всём для постоянного хранения, то почему их нет везде вокруг?» 

И на это можно сказать, что у них, кроме их очевидных преимуществ, есть один большой и серьёзный минус: они не могут отдавать энергию так быстро и мощно, как свинцовые.

Поэтому их основной теоретической сферой применения может быть сглаживание пиков потребления электроэнергии с плавной отдачей в течение многих часов — и здесь они вполне раскрывают свою сущность, предоставляя потребителю возможность использовать долговечное устройство с минимальной стоимостью (среди электрохимических способов) хранения энергии.

Что собой представляют

Идея, лежащая в основе железо-воздушной аккумуляторной технологии, заключается в ржавлении (т.е. окислении) железа атмосферным воздухом, где при этом сам процесс является обратимым.

Устроены подобные аккумуляторы следующим образом: анод, то есть отрицательный электрод, изготавливается из железа (про него будет ниже), а катод (положительный контакт) представлен так называемым воздушным электродом, который выполняется в виде многослойного «бутерброда»:

• Пропускающий воздух, но в то же время гидрофобный (водоотталкивающий) слой, устанавливаемый снаружи электрода, служит одновременно для проведения кислорода внутрь и, в то же время, отталкивает электролит, не давая ему выливаться наружу из ячейки. Обычно этот слой делают, например, из пористого тефлона.

• Каталитический слой, на котором собственно и происходит реакция восстановления, изготавливается из пористой сажи или графена (для создания токопроводности), катализаторов (для ускорения реакции), например, марганца, пропитанных тефлоновой эмульсией. Эта эмульсия выступает как своего рода клей, удерживающий состав на поверхности металлической сетки, и одновременно служит для сохранения так называемой «трёхфазной границы». Пористая масса, намазанная или напылённая на электрод, впоследствии заполняется электролитом, при этом в порах одновременно встречаются воздух, электролит и активный слой с катализаторами, а пропитка тефлоном не даёт порам полностью заполниться электролитом из-за водоотталкивающих свойств тефлона.

• Собственно, сам электрод: металлическая сетка или пластина из стойкого к щелочам материала, которая служит в виде прочного каркаса, удерживающего предыдущие слои, а также для подачи тока во внешнюю сеть. Может быть изготовлена из нержавейки или никелированной стали.

Рассмотрим вкратце, как изготавливаются электроды...

Сначала готовится смесь из графена (20%), катализатора (например, оксида марганца — 70%) и связующего (водная эмульсия тефлона — 10%), которую разминают и раскатывают до состояния теста. После этого тесто «вкатывается» в металлическую сетку, при этом с одной стороны к сетке прижимается пористая плёнка из тефлона, а затем весь этот «бутерброд» запекается в печи при температуре около 350 °C в течение 20–30 минут.

В ходе этой операции происходит вплавление тефлона из эмульсии в остальные компоненты, а также прочное приплавление плёнки, где в результате всей этой операции и появляется прочный монолитный электрод. 

Анод также изготавливается из пористого материала, так как необходима большая площадь поверхности для эффективной работы. 

Для этого также на металлическую сетку наносится тестоподобный состав из карбонильного железа, небольшой добавки висмута (до 2% — в целях подавления выделения водорода), небольшого количества сульфида железа (чтобы предотвратить полное спекание частиц железа), и всё это замешивается также на основе тефлоновой эмульсии (до 8%). 

После чего производится также спекание полученного электрода при температуре около 400°С в инертной атмосфере. 

Далее электроды размещаются друг от друга на расстоянии порядка 5-10 мм внутри ячейки и заливаются электролитом — 20-30%-ным водным раствором гидроксида калия (KOH).

В дальнейшем, в ходе протекающей при разряде аккумулятора реакции, происходит окисление железа до гидроксида железа (II) и далее до гидроксида железа (III). 

При обратном ходе процессов, когда аккумулятор заряжается, на аноде происходит восстановление соединений железа до металлического состояния, а параллельно на катоде выделяется газообразный кислород в атмосферу.

Так как аккумуляторная батарея обычно составляется из отдельных ячеек, соединённых последовательно, то заряд ячеек происходит, базируясь на расчётном напряжении в 1,6 В на одну ячейку. 

В то время как при разряде напряжение одной ячейки достаточно мало и может достигать всего лишь 1 В, при этом ток разряда сравнительно мал — порядка нескольких десятков мА/см². 

В целом, КПД цикла заряд/разряд достаточно мало и составляет всего лишь порядка 50-60%, так как остальная энергия уходит в тепло.

Потенциал применения

Из-за своих особенностей, заключающихся в невозможности быстрой отдачи большого количества энергии, а также весьма большой долговечности, как вы могли уже догадаться, основной сферой применения подобных аккумуляторов является обеспечение энергоотдачи в стационарных системах хранения для задействования в электросетях. 

Например, в настоящее время строится пилотный проект компании Form Energy в США (Миннесоте), на мощность в 10 МВт для запитки небольшого города.

Среди всех возможных аккумуляторных систем хранения энергии, железо-воздушные аккумуляторы занимают менее 1%, но в то же время обеспечивают самую низкую в мире стоимость хранения энергии в аккумуляторах электрохимического типа. 

Я не случайно уточнил, сказав «электрохимического», так как если попытаться их сопоставить с другими системами хранения энергии, то железо-воздушные не являются самыми дешёвыми — в этой области пальму первенства, пожалуй, удерживают гравитационные системы накопления энергии: подъём и опускание грузов на высоту (когда есть генерация, например, от ветряка — бетонные блоки или другой груз поднимаются на высоту; когда нет генерации  — груз медленно опускается, вращая генераторы). 

Поэтому, если, например, стоимость хранения в железо-воздушных аккумуляторах составляет от 20 долларов за 1 кВт/час, то в гравитационных аккумуляторах эта величина уже падает до размера в менее чем 10 долларов также за 1 кВт/час. 

Тем не менее, железо-воздушные и интересны не только своей долговечностью, но также и идеей, лежащей в основе — человечество поставило разрушительный процесс ржавления служить своим интересам!

Аналогичные системы, но с более высокой токоотдачей

Как мы могли видеть выше, основной проблемой железо-воздушных аккумуляторов является малая токоотдача, что естественным образом ограничивает их область применения стационарными системами. 

Однако сама технология металло-воздушных систем несколько шире и предоставляет возможности создания систем питания с гораздо более высокой токоотдачей. 

Проблема заключается только в том, что такие системы являются, как правило, одноразовыми, то есть батареями, а не аккумуляторами. 

Например, известны алюминиево-воздушные батареи, которые при достаточно скромных размерах могут отдавать токи порядка 10 А с напряжением в 12 В: в таких батареях анод делается из алюминиевой пластины, которая расходуется в процессе работы, а катод также мембранный угольный, трёхфазный, соединяющий в себе как слой катализатора, так и воздух с электролитом (устроен так же, как и у аккумуляторов), а в качестве электролита выступает обычная поваренная соль (токоотдачу можно увеличить, если вместо поваренной соли использовать раствор щёлочи, так как она растворяет оксидные плёнки на алюминиевой пластине, ускоряет реакции в целом, а также увеличивает ионную проводимость). Более подробно можно почитать здесь.

Если кому интересно, то описание ещё некоторых источников тока, использующих металлы, есть здесь.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»