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 мереАккумуляторы 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·ч, то в гравитационных аккумуляторах эта величина уже падает до размера в менее чем 10 долларов также за 1 кВт·ч.
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»
Комментарии (36)
begemot_nn
04.09.2025 13:55анод, то есть отрицательный электрод, изготавливается из железа (про него будет ниже), а катод (положительный контакт) представлен так называемым воздушным электродом,
Может конечно в железо-воздушном элементе своя уникальная электрохимия.
Но я где то слышал, что обычно анод - это положительный электрод, а катод - отрицательный.
DAN_SEA Автор
04.09.2025 13:55Вот что нам говорит по этому поводу, например, вики:
В литературе встречается различное обозначение знака катода — «−» или «+», что определяется, в частности, особенностями рассматриваемых процессов. В электрохимии принято считать, что «−» катод — электрод, на котором происходит процесс восстановления, а «+» анод — тот, где протекает процесс окисления[3][4]. При работе электролизера (например, при рафинировании меди) внешний источник тока обеспечивает на одном из электродов избыток электронов (отрицательный заряд), здесь происходит восстановление металла, это катод. На другом электроде обеспечивается недостаток электронов и окисление металла, это анод.
В то же время при работе гальванического элемента (к примеру, медно-цинкового), избыток электронов (и отрицательный заряд) на одном из электродов обеспечивается не внешним источником тока, а собственно реакцией окисления металла (растворения цинка), то есть у гальванического элемента отрицательным, если следовать приведённому определению, будет анод. Электроны, проходя через внешнюю цепь, расходуются на протекание реакции восстановления (меди), то есть катодом будет являться положительный электрод.
begin_end
04.09.2025 13:55Можно еще вспомнить похожие по характеристикам никель-железные каккумуляторы, которые портятся только когда корпус проржавеет до сквозных дыр (и то не всегда).
Rikimortuy
04.09.2025 13:55Точно, это их идейный прародитель - та же ставка на дешевое и доступное железо и щелочной электролит
lv333
04.09.2025 13:55Свинцовый аккумулятор вроде как тоже вполне может работать на щелочном электролите... А цена свинца ну тоже не сказать что бы запредельная.
Зато реально рабочий аккумулятор на коленке с весьма неплохими даже характеристиками, проще всего сделать как раз из свинца. Если что - из собственного опыта информация. Ничего с похожими характеристиками по току, да и по ёмкости изготовить кустарно лично у меня не получилось.
Так же хотел бы заметить такую вещь, свинцово-кислотной аккумулятор, несмотря на страшный и опасный свинец, пожалуй самый дружественный для экологии, поскольку его можно легко перерабатывать по циклу сколько угодно раз по сути без отходов. С литием в этом смысле все намного хуже.
moonoviy
04.09.2025 13:55А я уж сначала подумал, конденсатор переизобрели
tormozedison
04.09.2025 13:55Кстати... под определение подходит, если материалы обкладок и диэлектрика соответствующие.
firehacker
04.09.2025 13:55кВт/ч
Любой, кто подобное пишет, не разбирается в физике, размерности единиц и имеет кашу в голове.
codavr
04.09.2025 13:55Поэтому их основной теоретической сферой применения может быть сглаживание пиков потребления электроэнергии с плавной отдачей в течение многих часов
Видимо, следует читать так:
Поэтому их основной теоретической сферой применения может быть плавная отдача в течение многих часов. А для сглаживания пиков потребления придётся применить традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы.
Или имеются в виду пики потребления, продолжительностью в "многие часы"?
ciuafm
04.09.2025 13:55Смешно читать про " самый дешёвый химический способ накопления энергии " с учетом того что батареи просто не продаются. Т.е. их нельзя купить ни за какие деньги. Не говоря уж про контроллеры заряда...
И что-то мне подсказывает что теоретические десятки тысяч циклов и срок использования в 30 лет сурово разобьются в долговечность гидрофобной мембраны, которая наверняка ещё и УФ боится.
GidraVydra
04.09.2025 13:55батареи просто не продаютсяКак это мешает оценить их стоимость? Конструкция известна, материалы продаются.
долговечность гидрофобной мембраны, которая наверняка ещё и УФ боится.Зачем светить на мембрану аккумулятора ультрафиолетом?
lv333
04.09.2025 13:55Как это мешает оценить их стоимость? Конструкция известна, материалы продаются.
Ну да, любая вещь стоит столько, сколько за нее готовы заплатить, ну или сколько продаван сможет сбить с клиента.
Понятно что материалы все доступные и недорогие, вопрос в технологиях производства и добавочной стоимости на всех этапах. А ещё обслуживание гарантийное и пост гарантийное и так далее и тому подобное. Так что рассуждать о цене чего то, чего нет реально на рынке, это очень и очень предусмотрительно. В статье обозначены некоторые цифры, но они тоже крайне приблизительны и сомнительны по итогу.
GidraVydra
04.09.2025 13:55Я вот не понимаю, что именно вы хотите оспорить, сложившуюся в промышленности практику? Есть такая штука - финмодель производства, в её рамках делается оценка себестоимости продукта. Она всегда делается до запуска производства, и уж тем более до появления товара на рынке. Только если финмодель устраивает инвесторов, начинается создание производства. Оценка опирается на экономические параметры известных аналогов, некоторые экстраполяции. В производстве данных аккумуляторов не задействуется никаких новых материалов или технологий. "Добавочная стоимость", "гарантийное и постгарантийное обслуживание" и прочие
умные словастатьи расходов тоже не с неба падают, а расчитываются в рамках финмодели.А что предлагаете вы в качестве альтернативы? Начать производить без финмодели, а себестоимость считать по факту?
lv333
04.09.2025 13:55Я пытаюсь оспорить?? Да боже упаси, делать мне нечего больше. У меня возникли определенные сомнения в том, что стоимость данного товара будет такая как написано в статье:
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.
Да ещё с учётом того, что при каждом заряде мы выбрасываем на обогрев атмосферы половину энергии, рассуждая о стоимости хранения, не плохо было бы делать это хоть с небольшой оглядкой на сей прискорбный факт.
Ведь автор предлагает эту систему использовать для сглаживания пиков потребления энергии, т.е. циклы будут постоянные, за какое время на этих потерях станет выгоднее использовать литий или пусть даже свинец?
Но речь даже не об этом, откуда такой оптимистический прогноз изначально, даже если пренебречь озвученной мною выше информацией? Посчитали на вес стоимость железа в элементе и сравнили тот же вес с литием по цене???:)
lv333
04.09.2025 13:55Кстати вспомнилось, наткнулся тут на изделия на базе натрий-ион, которым пророчили исключительную дешевизну! Ведь натрия полно, он намного дешевле лития, так же не нужно кадмия и так далее - батарейки стало быть будут стоить 2 копейки в базарный день! А что на практике? Натрий-ион стоит существенно дороже любого лития...
Rikimortuy
04.09.2025 13:55Человечество поставило разрушительный процесс ржавления служить своим интересам!
вот это пожалуй самая красивая мысль во всей статье
Взять самый банальный и неотвратимый процесс окисления, который уничтожает наши машины и конструкции, и заставить его работать на нас - в этом есть какая-то невероятная инженерная элегантность
tormozedison
04.09.2025 13:55Оксиды железа, получаемые при помощи этого процесса, находят применение много где. Магнитные ленты, например.
tormozedison
04.09.2025 13:55Звучит как нечто подходящее для экспериментов на коленке, есть ли подводные камни?
Pusk1
04.09.2025 13:55Как в прошлом сотрудник Русала давно жду батарейку на алюминии. Металл активный, окисляется шустро, крошится легко, энергоёмкость порядка 30 МДЖ/кг против 42 у дизельного топлива. Заправлять можно пластинами, а оксид сдавать на переработку.
lv333
04.09.2025 13:55Держите карман шире! Вдруг мегажолуди не влезут... В реальности увы и ах в реальных батарейкам там дай бог 1/10 из теоретической цифры выходит, точнее даже 1/10 очень оптимистично. А с учётом того, что для того что бы получить этот 1кг алюминия надо потратить 15-17квт*ч электричества... Ждать вам ещё очень долго, примерно вечно. Сложно себе представить что бы кто то на серьезных щах, а не на хайпе и выбивании грантов воплотил такую энергетику в жизнь.
borisbokarev
04.09.2025 13:55Прототип уже есть, отлично работает. Токоотдача низковата для большинства кейсов применения. И чистота алюминия слишком хорошо коррелирует с эффективностью.
lv333
04.09.2025 13:55Прототип много чего есть, например "топливные элементы" на жидком натрие из недавнего, по факту это тот же самый метал-воздушный элемент. Только вот там все также проблема, на выработку 1кг натрия надо затратить энергию 90-92квт*ч! Выхлоп в виде лехтричества обещают 1квт*ч с 1 кг... Причем лично у меня есть тоже сомнения в этой цифре... Но даже если так, то затраченное к полученному 2 мать его порядка! Кто там говорил что КПД 50% мало???:)))
lv333
04.09.2025 13:55Хотя возможно там где нужна большая плотность энергии на вес, а энергия нужна именно электрическая - это и оправдано. Но это скорее довольно нишевое применение, а не счастье для всех и даром.
А так, если отбросить лишние сущности, то из топливных элементов остаются водородные. А из аккумуляторов тот же самый банальный литий. Что касается углеводного топлива, то его с куда большей эффективностью и проще всего сжигать в старом добром ДВС. Хотя можно конечно сделать риформинг такого топлива до водорода, а потом водород использовать в топливном элементе, но итоговый КПД этих процессов будет ниже чем сразу это топливо залить в ДВС генератор. А уж сложность и цена...
lv333
Самое "сладкое" оставили на последок...
Давно интересовался темой метал-воздушный элементов, даже сам пытался делать... Речь не про аккумуляторы, а одноразовые элементы. Такие делают в основном на базе алюминия, цинка или магния, но в целом схема рабочая и на железе, напряжение и ток ниже разумеется будет. Основная проблема по мимо КПД это действительно крайне малый ток, для питания чего то нить столь либо серьезного. Чисто теоретически, если делать именно аккумулятор, то вместо железа более разумным вроде как выглядит цинк(хотя разумеется железо дешевле), это единственный из относительно активных металлов которые могут восстанавливается в водном растворе. Но ещё одним бичем такого рода аккумуляторов, как будто из и так мало, является рост дендритов, это когда металл при зарядке и соответственно восстановление из раствора начинает расти неравномерно, образуя "ветки", как следствия эта ветка рано или поздно дорастет до противоположного электрода и закоротит такой элемент.
DGG
При этом даже у гидроаккумуляторной электростанции КПД 70%.
Но по идее аккумуляторы могут быть интересны на плоской местности
lv333
Для ГАЭС нужно помимо перепада высот ещё и наличие больших объемов воды.
GidraVydra
Рост дендритов при осаждении из водных электролитов как раз предотвратить несложно, надо только знать, какие добавки использовать. А вот с перенапряжением (КПД) особо ничего не сделаешь.
Flammar
По-моему, это у любых аккумуляторов так.
lv333
То по вашему. В реальности для лития 95-98%, для свинцово-кислотной батареи 80-90%, в худшем случае 70-85%. Для никель-кадмия, никель-металлгидрида эти цифры вроде как на уровне 60-70%, там свои "вавки" есть... Так что литий практически топ в этом смысле, сколько влили - столько получили...
lv333
Наверное поэтому разнообразные никелевые батареи и не получили особо широкого распространения, а остались довольно нишевым продуктом. Качественный свинцовый аккумулятор их существенно превосходит и не имеет таких детских болезней как эффект памяти.
dragonnur
У свинцового свои "детские болезни" и няп до сих пор от них полностью не избавились (сульфатация).
oleg_rico
Вы свинцово-кислотную слишком расхвалили. 40% у неё максимум после этого деградация начинается. А свинцово-кислотная одна из самых неустойчивых глубокому разряду
lv333
Не расхваливал, взял данные из интернета, не особо углубляясь в детали, но если речь зашла про деградацию, то я думаю литий так же по мере старения будет терять не только ёмкость но и КПД цикла заряд разряд, скорее всего не настолько конечно, но все же. Сказать что свинец такой чудесный, а все остальное - отстой, я не пытался, просто указал на очевидно сильнее стороны, о слабых я думаю и так всем известно. Они весьма очевидны.
Сюда же относиться и то, что разряжать свинец ниже определенного уровня не стоит, а тем более уволить его в глубокий разряд. Такова специфика, что поделать...