Недорогой, высокопроизводительный химический состав батарей, разработанный исследователями Университета Колорадо в Боулдере, однажды может привести к масштабируемому хранению энергии ветра и солнца на уровне сети, что поможет электроэнергетике снизить зависимость от ископаемого топлива.
Новая инновация, описанная сегодня в журнале Joule, описывает две проточные батареи на водной основе, также известные как проточные окислительно-восстановительные батареи, в которых используются хромовые и органические связующие вещества для достижения исключительного напряжения и высокой эффективности. Компонентов в изобилии в природе, что дает надежду на будущее для рентабельного производства.
«Мы рады сообщить о самых эффективных химических элементах аккумуляторов за всю историю», - сказал Майкл Маршак, старший автор исследования и доцент химического факультета Калифорнийского университета в Боулдере. «Материалы недорогие, нетоксичные и легкодоступные».
Возобновляемые источники энергии обеспечивают растущую долю производства электроэнергии в США, но в настоящее время не хватает крупномасштабного решения для хранения собранной энергии и ее повторного использования для удовлетворения спроса в периоды, когда солнце не светит и ветер стихает. не дует.
«Существует несоответствие между спросом и предложением в энергосистеме в течение дня», - сказал Маршак, который также является научным сотрудником Института возобновляемых и устойчивых источников энергии (РАСЕИ). «Солнце может удовлетворять потребности сети утром, но спрос имеет тенденцию достигать пика ближе к вечеру и продолжаться до вечера после захода солнца. Прямо сейчас коммунальные компании должны заполнить этот пробел, быстро нарастив добычу угля и природного газа, точно так же, как вы перегоняете машину с нуля до шестидесяти».
Хотя литий-ионный аккумулятор может обеспечить питание для небольших приложений, вам потребуются миллионы батарей для резервного питания даже небольшой электростанции, работающей на ископаемом топливе, в течение часа, говорит Маршак. Но в то время как ионно-литиевая химия эффективна, она плохо подходит для обеспечения мощности всего поля ветряных турбин или массива солнечных панелей.
«Основная проблема с ионно-литиевыми батареями заключается в том, что они не очень хорошо масштабируются», - сказал Маршак. «Чем больше твердого материала вы добавляете, тем больше сопротивление вы добавляете, а затем все остальные компоненты должны увеличиваться в тандеме. Так что, по сути, если вы хотите удвоить энергию, вам нужно построить вдвое больше батарей, и это просто не стоит- эффективен, когда вы говорите об этом количестве мегаватт-часов».
Проточные батареи считаются более многообещающим направлением. Аккумуляторы на водной основе хранят свои активные ингредиенты в жидкой форме в больших резервуарах, что позволяет системе распределять энергию управляемым образом, подобно тому, как бензобак обеспечивает устойчивое сгорание топлива в двигателе автомобиля при нажатии на педаль.
Хотя есть несколько примеров проточных батарей, стабильно работающих в течение десятилетий (например, в Японии), они изо всех сил пытались закрепиться в коммерческих и муниципальных операциях отчасти из-за их громоздких размеров, высоких эксплуатационных расходов и сравнительно низкое напряжение.
«Размер не так важен для сетевых систем, потому что они будут просто прикреплены к уже большой структуре», - сказал Маршак. «Важна стоимость, и именно ее мы хотели улучшить».
Исследователи вернулись к основам, заново изучив химические процессы проточных батарей, которые изучались много лет назад, но заброшены. Ключевым моментом оказалось комбинирование органических связующих или хелатов с ионами хрома для стабилизации мощного электролита.
"Некоторые люди использовали этот подход раньше, но не уделяли достаточного внимания связующим агентам", - сказал Брайан Робб, ведущий автор нового исследования и докторант кафедры химической и биологической инженерии (ЧБЭ). «Вам нужно адаптировать хелат для иона металла, и мы проделали большую работу, чтобы найти правильный хелат, который будет прочно связывать их».
Маршак, Робб и соавтор Джейсон Фаррелл разработали специальный хелат, известный как PDTA, который создает «экран» вокруг электрона хрома, предотвращая попадание воды в реагент и позволяя одному из элементов батареи рассеивать 2,13 вольта, что почти вдвое больше. среднее значение для проточного аккумулятора.
PDTA является побочным продуктом ЭДТА, агента, который уже используется в некоторых мылах для рук, пищевых консервантах и муниципальных водоочистных устройствах из-за его свойств блокировать бактерии. ЭДТА считается нетоксичным. В химии также используется безвредная форма хрома, такая же, как в хирургических инструментах из нержавеющей стали.
«Мы заставили его работать при относительно нейтральном pH 9, в отличие от других аккумуляторов, в которых используется высококоррозионная кислота, с которой трудно работать и которую трудно ответственно утилизировать», - сказал Робб. «Это больше похоже на стиральный порошок».
"Вы можете заказать 15 тонн этих материалов завтра, если хотите, потому что есть действующие заводы, которые уже производят их", - добавил Маршак.
Маршак и Робб подали патент на инновацию при содействии CU Boulder Venture Partners. Они планируют продолжить оптимизацию своей системы, в том числе масштабировать ее в лаборатории, чтобы заряжать батарею еще дольше.
«Мы решили проблему на фундаментальном уровне», - сказал Маршак. «Теперь есть много вещей, которые мы можем попробовать, чтобы продолжать увеличивать производительность».