Почему Ржавчина - это будущее очень дешевых аккумуляторов

Когда Билли Вудфорд и его друзья задались целью создать новый вид батарей, способных заменить угольную электростанцию, источником вдохновения для их прорывной технологии послужили одноразовые мешки для согревания рук, которыми пользуются зрители на футбольных стадионах. Ключевой ингредиент батареи - ржавчина.

Стартап Вудфорда, Form Energy Inc., начал свою деятельность в 2017 году с четкой и амбициозной целью. Батарея должна была впитывать возобновляемую энергию днем и отдавать ее ночью, а также продолжать работать после захода солнца и в безветренные дни. Литий-ионная батарея, как в электромобилях и смартфонах, подойдет, но ни одно коммунальное предприятие не может позволить себе использовать такой тип батареи в сети более нескольких часов. Коммунальным службам нужна такая батарея, которая будет достаточно дешевой и сможет работать в течение 100 часов и более. "В сети можно использовать практически любую батарею любой продолжительности", - говорит Матео Харамильо, который до основания компании Form работал в Tesla Inc. и сегодня является ее главным исполнительным директором. (Вудфорд - главный технический директор). "Все всегда сводится к стоимости".

Батареи, как известно, сложная технология. На то, чтобы довести новую химию материалов из лаборатории до коммерческого применения, требуется в среднем 15 лет, что слишком долго для того, чтобы помочь США достичь своей цели по созданию безуглеродной электросети к 2035 году. Вудфорд и его команда, однако, создали свою батарею в рекордно короткие сроки: четыре года до первого эксперимента и семь лет до первого коммерческого применения. Их процесс начинается с дешевых материалов, а затем итераций, и это показывает, что инновации могут окупиться в условиях ограниченного времени, отведенного на достижение глобальных климатических целей.

Пять соучредителей компании Form, в число которых также входят Йет-Минг Чианг, Тед Уайли и Марко Феррара, начали с обмена идеями о материалах, отбрасывая большинство из них, как только они появлялись. Некоторые предложения уже были коммерциализированы, например, проточные батареи с использованием таких материалов, как ванадий и большие чаны с жидкостью. Но 100-часовая батарея могла рассчитывать только на дешевые и распространенные элементы, и короткий список в итоге свелся к железу и сере. Поскольку с этим материалом легче работать, победило железо.

Затем Вудфорд обратился к маловероятному источнику вдохновения: одноразовым грелкам для рук, которые он использовал в холодные дни, когда рос в Пенсильвании. Раздавливание этих маленьких мешочков с кристаллами запускает процесс ржавления железа - оно вступает в реакцию с кислородом, образуя оксид железа, - который ускоряется с помощью химических веществ. В результате реакции выделяется энергия в виде тепла. Вудфорд и Чианг, научные мозги Формы, подумали, что при правильном подходе они могли бы использовать ту же реакцию для высвобождения энергии в виде электронов.

Харамильо не был убежден. "Я думал, что собираюсь опровергнуть эту идею", - говорит он. "Лучше сначала доказать, что это ужасная идея, чем потом выяснять это".

Вот только идея не была ужасной. После тысяч экспериментов ставка Вудфорда на грелки для рук легла в основу батареи Form. Компания, расположенная в Сомервилле, штат Массачусетс, привлекла почти 900 миллионов долларов от таких фондов, как Breakthrough Energy Ventures под руководством Билла Гейтса, и заключила партнерские соглашения с Georgia Power, Great River Energy и Xcel Energy. Далее следует строительство завода по производству батарей стоимостью 760 миллионов долларов в Западной Вирджинии, который, по словам компании, должен быть запущен к концу 2024 года.

Принятие Закона о снижении инфляции повысило перспективы компании Form. Знаковый климатический закон США включает в себя стимулы для развития накопителей энергии в сети, а также помощь местному производству и проектам, которые обслуживают неблагополучные сообщества - все те пункты, которые Form может проверить. Сенатор США Джо Манчин, демократ, сыгравший решающую роль в принятии IRA, также родом из Западной Вирджинии, которая выделит 290 миллионов долларов на строительство первого завода Form. Гейтс, инвестор компании Form, был одним из тех, кто убедил Манчина проголосовать за законопроект.

Все эти преимущества сдвинули сроки. "Мы немного опережаем график", - говорит Харамильо, который дал себе 10 лет с момента прихода в Form, чтобы полностью реализовать свою идею. "Нам посчастливилось перевернуть пару карт, которые получились так, как мы надеялись".

Пока единственным местом, где можно увидеть прорыв Форма в области железных батарей в действии, является испытательный центр на складе в Беркли, Калифорния. "Если вы наблюдаете со стороны, то это не очень интересное зрелище - не совсем харизматичная мегафауна", - предупреждает посетителей Харамильо, проходя мимо пластиковой коробки размером с небольшой холодильник. "Но для того, чтобы достичь целевых показателей стоимости, к которым мы стремимся, он не может позволить себе выглядеть как нечто особенное".

В промышленных масштабах батарея Форма будет состоять из множества таких пластиковых коробок, упакованных внутри транспортных контейнеров и припаркованных рядом с кабелями электропередач. И если присмотреться, то можно увидеть некоторые действия: Каждая коробка содержит пузырьки черной жидкости, не похожие на дегазацию кока-колы в гигантском молочном контейнере. То, что вы видите, - это ржавчина в действии, возможно, самая необычная стратегия, которую использовала компания Form. С химической точки зрения, процесс в пластиковых коробках - это смешивание железа с кислородом для образования оксидов железа (более известных как ржавое железо) наряду с выработкой электроэнергии. Этот процесс можно обратить вспять. Добавьте электричество обратно, и можно отделить железо, выделив при этом кислород. Если бы этот процесс не был обратимым, это была бы одна дорогая батарея, в которой ржавое железо постоянно вырабатывает электричество.