Исследователи из Стэнфорда разработали батарею на водной основе, которая может обеспечить дешевый способ хранения энергии ветра или солнца, вырабатываемой, когда светит солнце и дует ветер, чтобы ее можно было подавать обратно в электрическую сеть и перераспределять, когда спрос высок.
Прототип марганцево-водородной батареи, опубликованный сегодня в журнале Nature Energy, имеет высоту всего три дюйма и вырабатывает всего 20 милливатт-часов электроэнергии, что соответствует уровням энергии светодиодных фонариков, на которые можно повесить брелок..
Несмотря на крошечную производительность прототипа, исследователи уверены, что они могут превратить эту настольную технологию в систему промышленного уровня, которая может заряжаться и перезаряжаться до 10 000 раз, создавая батарею масштаба сети с срок службы значительно превышает десятилетие.
И Цуй, профессор материаловедения в Стэнфорде и старший автор статьи, сказал, что технология марганцево-водородных батарей может быть одним из недостающих элементов энергетической головоломки страны - способом хранения непредсказуемой энергии ветра или солнца. чтобы уменьшить потребность в сжигании надежного, но выделяющего углерод ископаемого топлива, когда возобновляемые источники недоступны.
«Что мы сделали, так это бросили в воду специальную соль, бросили ее в электрод и вызвали обратимую химическую реакцию, которая сохраняет электроны в виде газообразного водорода», - сказал Цуй.
Умная химия
Команду, придумавшую концепцию и создавшую прототип, возглавлял Вэй Чен, научный сотрудник лаборатории Цуя. По сути, исследователи добились обратимого электронного обмена между водой и сульфатом марганца, дешевой, широко распространенной промышленной солью, используемой для производства сухих батарей, удобрений, бумаги и других продуктов.
Чтобы имитировать, как источник энергии ветра или солнца может питать батарею, исследователи прикрепили источник питания к прототипу. Втекающие электроны реагировали с сульфатом марганца, растворенным в воде, оставляя частицы диоксида марганца, прилипшие к электродам. Избыточные электроны испарялись в виде газообразного водорода, таким образом сохраняя эту энергию для будущего использования. Инженеры знают, как воссоздать электричество из энергии, хранящейся в газообразном водороде, поэтому следующим важным шагом было доказать, что аккумулятор на водной основе можно перезаряжать.
Исследователи сделали это, снова подключив свой источник питания к истощенному прототипу, на этот раз с целью побудить частицы диоксида марганца, прилипшие к электроду, соединиться с водой, восполнив соль сульфата марганца. Как только эта соль была восстановлена, поступающие электроны стали избыточными, и избыточная энергия могла испариться в виде газообразного водорода, в процессе, который можно повторять снова, и снова, и снова.
Цуй подсчитал, что, учитывая ожидаемый срок службы батареи на водной основе, накопление электроэнергии, достаточной для питания 100-ваттной лампочки в течение двенадцати часов, будет стоить копейки.
«Мы считаем, что эта прототипная технология сможет удовлетворить цели Министерства энергетики (DOE) в области практического хранения электроэнергии в коммунальном масштабе», - сказал Цуй.
Министерство энергетики рекомендовало батареи для хранения в масштабе сети, которые должны накапливать и затем разряжать не менее 20 киловатт мощности в течение часа, быть способными не менее 5000 перезарядок и иметь срок службы 10 лет и более. Чтобы сделать ее практичной, такая аккумуляторная система должна стоить 2000 долларов или меньше или 100 долларов за киловатт-час.
Бывший министр энергетики и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, ныне профессор Стэнфорда, давно заинтересован в поощрении технологий, которые помогут стране перейти на возобновляемые источники энергии.
«Несмотря на то, что точные материалы и дизайн все еще нуждаются в доработке, этот прототип демонстрирует тип науки и техники, которые предлагают новые способы создания недорогих, долговечных аккумуляторных батарей», - сказал Чу, который не был член исследовательской группы.
Отказ от углерода
По оценкам Министерства энергетики США, около 70 процентов электроэнергии в США вырабатывается на угольных или газовых электростанциях, на долю которых приходится 40 процентов выбросов углекислого газа. Переход на ветровую и солнечную генерацию - один из способов сократить эти выбросы, но он создает новые проблемы, связанные с непостоянством энергоснабжения. Совершенно очевидно, что солнце светит только днем, и иногда ветер не дует.
Но другая, менее понятная, но импортная форма изменчивости возникает из-за всплесков спроса в сети - этой сети проводов высокого напряжения, которые распределяют электроэнергию по регионам и, в конечном итоге, по домам. В жаркий день, когда люди приходят домой с работы и включают кондиционер, коммунальные предприятия должны иметь стратегии балансировки нагрузки для удовлетворения пикового спроса: какой-то способ увеличить выработку электроэнергии за считанные минуты, чтобы избежать отключений или отключений электроэнергии, которые в противном случае могли бы вывести из строя сеть..
Сегодня коммунальные предприятия часто добиваются этого, запуская электростанции по требованию или «диспетчерские» электростанции, которые могут простаивать большую часть дня, но могут включиться в течение нескольких минут, быстро производя энергию, но увеличивая выбросы углерода. Некоторые коммунальные предприятия разработали краткосрочную балансировку нагрузки, которая не зависит от установок, работающих на ископаемом топливе. Наиболее распространенной и экономически выгодной такой стратегией является аккумулирование гидроэлектростанций: использование избыточной мощности для подачи воды вверх в гору, а затем ее обратного стекания для выработки энергии во время пикового спроса. Однако гидроаккумулирование работает только в регионах с водой и пространством, поэтому, чтобы сделать ветер и солнечную энергию более полезными, Министерство энергетики поощряет использование аккумуляторов большой емкости в качестве альтернативы.
Высокая производительность, низкая стоимость
Cui сказал, что на рынке существует несколько типов технологий перезаряжаемых батарей, но неясно, какие подходы будут соответствовать требованиям Министерства энергетики и докажут свою практичность коммунальным службам, регулирующим органам и другим заинтересованным сторонам, которые обслуживают национальную электрическую сеть.
Например, Цуй сказал, что перезаряжаемые литий-ионные батареи, в которых хранится небольшое количество энергии, необходимой для работы телефонов и ноутбуков, изготовлены из редких материалов и поэтому слишком дороги для хранения энергии для района или города. Цуй сказал, что для хранения данных в масштабе сети требуется недорогая перезаряжаемая батарея большой емкости, а марганцево-водородный процесс кажется многообещающим.
«Другие технологии перезаряжаемых аккумуляторов легко более чем в 5 раз превышают эту стоимость в течение срока службы», - добавил Цуй.
Чэнь сказал, что новая химия, недорогие материалы и относительная простота сделали марганцево-водородную батарею идеальной для недорогого развертывания в масштабе сети.
«Прорыв, о котором мы сообщаем в журнале Nature Energy, может соответствовать критериям масштаба сети Министерства энергетики», - сказал Чен.
Прототип нуждается в доработке, чтобы зарекомендовать себя. Во-первых, в нем используется платина в качестве катализатора для запуска важнейших химических реакций на электроде, которые делают процесс перезарядки эффективным, а стоимость этого компонента была бы непомерно высокой для крупномасштабного развертывания. Но Чен сказал, что команда уже работает над более дешевыми способами уговорить сульфат марганца и воду осуществить обратимый электронный обмен.
"Мы определили катализаторы, которые могут привести нас ниже целевого уровня Министерства энергетики США в 100 долларов за киловатт-час", - сказал он..
Исследователи сообщили о 10 000 перезарядках прототипов, что вдвое превышает требования Министерства энергетики, но говорят, что необходимо будет протестировать марганцево-водородную батарею в реальных условиях хранения в электрической сети, чтобы по-настоящему оценить ее срок службы. производительность и стоимость.
Cui сказал, что он пытался запатентовать процесс через Стэнфордское управление по лицензированию технологий и планирует создать компанию для коммерциализации системы.
И Цуй также является профессором Управления фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и старшим научным сотрудником Института энергетики Precourt, членом Stanford Bio-X и Стэнфордского института неврологии. Дополнительные соавторы включают Guodong Li, приглашенного ученого в области материаловедения и инженерии, в настоящее время работающего в Китайской академии наук; ученые-постдокторанты Хунся Ван, Цзяюй Ван, Лэй Ляо, Гуансю Чен и Цзянъянь Ван; приглашенный ученый Хао Чжан; и аспиранты Чжэн Лян, Юйчжан Ли и Аллен Пей.