Научно-образовательная лаборатория “Электроактивные материалы и химические источники тока” создана в РХТУ в 2020 году, как структурный наследник существовавшей здесь же научной лаборатории ЭМЭЭ. Ее руководитель - доктор химических наук, профессор, лауреат премии Правительства Российской Федерации для молодых ученых, Анатолий Антипов.

ЭМХИТ - гибридная структура. С одной стороны мы занимаемся научными исследованиями, а с другой играем роль мини-кафедры в составе университета: на базе лаборатории запущена двуязычная магистерская программа “Материалы и технологии для смарт энергосистем”

Цель, область исследования, контекст

Лаборатория ЭМХИТ занимается проектированием и разработкой электрохимических накопителей энергии, работающих по принципу проточных редокс-батарей, а также экспериментальными, теоретическими и модельными исследованиями ключевых компонентов и реакций, вовлеченных в работу проточных батарей, а также других химических источников тока.

Главная тема исследований ЭМХИТ - это разработка проточных редокс-батарей (ПРБ). По своей конструкции и принципам это что-то среднее между литий-ионными аккумуляторами и топливными элементами. ПРБ состоит из двух баков с жидким топливом (электролитами) и собственно основной части (мембранно-электродного блока - МЭБ), в которую эти электролиты непрерывно подаются насосами. Электрическая энергия в ПРБ обратимо запасается в виде химической энергии электролитов. Например, когда батарея заряжается то один электролит, протекая через МЭБ там электрохимически окисляется, а когда батарею нужно разрядить, то он, наоборот, электрохимически восстанавливается в МЭБ. И так можно делать много-много раз. Лучшие виды ПРБ выдерживают до 100 000 зарядки/перезарядки, а электролиты, работающие в ПРБ иногда даже продают в лизинг.

Конструкция МЭБ ПРБ в разрезе

В России ПРБ занимаются пока немного, но в мире ситуация другая. Каждый год человечество производит и потребляет всё больше электроэнергии и поэтому каждый год нам нужно всё больше накопителей энергии для самых разных задач - от питания портативной электроники до аккумуляции излишков электроэнергии, произведенных солнечными или ветровыми электростанциями. А проточные батареи из-за своей “вечности” по многим расчетам становятся самым выгодным накопителем энергии именно для хранения больших запасов электричества. Поэтому разработчики ПРБ верят, что эти батареи станут ключевым элементом распределенной умной энергетики. На основе ПРБ будут делать (и уже делают) огромные, ангарного типа, накопители энергии для узлов локальных энергосетей.

Сейчас в мире уже установлено порядка 200 ПРБ и большинство из них работают на ванадиевых электролитах, но это далеко не единственный вариант ПРБ. Ванадий стремительно дорожает из-за спроса на него в металлургии и поэтому сотни лабораторий по всему миру ищут новые варианты электролитов и новые идеи для конструкции ПРБ. Лаборатория ЭМХИТ - не исключение. 

Методы исследований

Мы делаем полный цикл работ по изготовлению и исследованию ПРБ, то есть

- Проектируем их (Solid Works, Autocad, Corel Draw)

- Изготавливаем на ЧПУ станках все компоненты МЭБ из листовых материалов. Производим сборку МЭБ и контуров подачи электролитов

- Испытываем и характеризуем их с помощью различных электрохимических методов, а также других измерений.

- Моделируем ключевые процессы, вовлеченные в работу ПРБ

- Изучаем ключевые процессы вовне ПРБ с помощью электрохимических и других измерений

- Разрабатываем цифровые двойники ПРБ для численной оптимизации режимов работы ПРБ.

В основе многих наших измерений - уникальные методики и устройства, разработанные в лаборатории. Суммарно нами получено более 10 патентов РФ по различным тематикам, связанным с разработкой и тестированием ПРБ.  

Релевантность исследования и наличие научных публикаций

За предыдущие 5 лет сотрудниками лаборатории ЭМХИТ опубликовано 36 научных статей по тематике ПРБ. В 2021 году лабораторией получен четырёхлетний грант РНФ (2021-2024) по программе поддержки лабораторий мирового уровня. Он посвящен масштабированию разработанных в лаборатории ячеек ПРБ до уровня промышленных прототипов. 

Коллаборации

Лаборатория ЭМХИТ проводит исследования в сотрудничестве с ведущими российскими учеными и научными институциями в области химических источников тока:

- Центр компетенции НТИ ИПХФ РАН (под руководством д.х.н., Добровольского Ю.А.)

- Лаборатория проточных редокс-батарей и электроактивных материалов ИФХЭ РАН (под руководством д.ф.-м.н., профессора, члена европейской академии наук, Воротынцева М.А.)

- Лаборатория инженерного материаловедения, ФФФХИ МГУ (под руководством к.ф.-м.н. Иванова Д.А.)

- Лабораторией электрокатализа ИФХЭ РАН

- Группа компаний Инэнерджи

Кроме того, в рамках выполнения проекта РНФ планируются коллаборации c Ecole Normale Superieure ULM (Paris, France, Prof. C.Amatore), University of Warsaw (Warsaw, Poland, Prof. P. J. Kulesza), University of Jerusalem (Jerusalem, Israel, Prof. O. Lev), Université de Bourgogne (Dijon, France, Charles H Devillers), Tongji University (Shanghai, China) и привлечение инфраструктуры ESRF (Гренобль, Франция) для выполнения ряда измерений.

О нас в СМИ

Российские химики создали новую конструкцию батареи будущего (РИА Новости)

В России показали новую конструкцию проточных батарей (Naked Science)

“Органика хороша тем, что с ней можно долго “развлекаться”. Какие супербатареи разрабатывают ученые для умной и зеленой энергетики (Republic)

Истина в одной из инстанций. Об уловках научных текстов и воспроизведении чужих экспериментов (ТАСС, портал “Чердак”)

A new design for flow batteries (Phys.org)

Russian chemists proposed a new design of flow batteries (Energy Daily)