Инженерите от Технологичния институт на Джорджия вече са разработили по-компактна конфигурация на батерийни клетки, която намалява размера на клетката със 75%. Това съответства на намаляване на размера и цената на цялата поточна батерия. Работата може да революционизира начина, по който всичко от големи търговски сгради до жилищни домове се захранва с батерии.
Изследователският екип на Georgia Tech публикува своите открития в статията „Суб-милиметрова пакетна микротръбна поточна батерия с ултра-висока обемна плътност на мощността“ в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Проточните батерии предлагат решение. Електролитите протичат през електрохимични клетки от резервоари за съхранение в този тип акумулаторна батерия. Съществуващите технологии за поточни батерии струват повече от $200/киловатчас и са твърде скъпи за практическо приложение.
Работата на Georgia Tech може да революционизира начина, по който се захранва всичко – от големи търговски сгради до жилищни домове.
Слънчевата и вятърната енергия не могат да произвеждат достатъчно енергия за надеждна електрическа мрежа. Алтернативно, литиево-йонните батерии могат да съхраняват енергия, но са ограничен ресурс.
Ниан Лиу, асистент в Технологичния институт на Джорджия, предложи: „Предимството на въглищната електроцентрала е, че е много стабилна. Ако източникът на енергия се колебае, както се случва с чистата енергия, това прави управлението му по-трудно, така че как можем да използваме устройство или система за съхранение на енергия, за да изгладим тези колебания?“
Проточните батерии предлагат решение. Електролитите преминават през електрохимични клетки от резервоари за съхранение в тази акумулаторна батерия. Съществуващите технологии за поточни батерии струват повече от $200/киловатчас и са твърде скъпи за практическо приложение, но лабораторията на Лиу в Училището по химическо и биомолекулярно инженерство (ChBE) разработи по-компактна конфигурация на клетки за поточни батерии, която намалява размера на клетката с 75% и съответно намалява размера и цената на цялата поточна батерия.
Намиране на потока
Проточните батерии получават името си от проточната клетка, където се извършва обмен на електрони. Техният конвенционален дизайн, планарната клетка, изисква обемисти разпределители на потока и уплътнения, което увеличава размера и цената, но намалява цялостната производителност. Самата клетка също е скъпа. За да намалят отпечатъка и разходите, изследователите се съсредоточиха върху подобряването на обемната плътност на мощността на поточната клетка (W/L-of-cell).
Те се обърнаха към конфигурация, която обикновено се използва в химическото разделяне – субмилиметрова, свързана микротубуларна (SBMT) мембрана – направена от филтърна мембрана с форма на влакна, известна като кухо влакно. Тази иновация има спестяващ място дизайн, който може да смекчи натиска върху мембраните, през които преминават йони, без да се нуждае от допълнителна поддържаща инфраструктура.
Райън Лайвли, професор в ChBE, каза: „Интересувахме се от ефекта на геометрията на сепаратора на батерията върху производителността на батериите с поток. Бяхме наясно с предимствата, които кухите влакна придават на разделителните мембрани и се заехме да реализираме същите тези предимства в областта на батериите.“
Прилагайки тази концепция, изследователите разработиха SMBT, който намалява разстоянието от мембрана до мембрана почти 100 пъти. Микротубулната мембрана в дизайна работи като разпределител на електролит в същото време без необходимост от големи поддържащи материали. Свързаните микротръби създават по-късо разстояние между електродите и мембраните, увеличавайки обемната плътност на мощността. Този пакетен дизайн е ключовото откритие за максимизиране на потенциала на поточните батерии.
Захранване на батерията
За да потвърдят новата си конфигурация на батерията, изследователите са използвали четири различни химикали: ванадий, цинк-бромид, хинон-бромид и цинк-йодид. Въпреки че всички химикали са функционални, две са най-обещаващи. Ванадият беше най-зрялата химия, но и по-малко достъпен, а редуцираната му форма е нестабилна във въздуха. Те откриха, че цинковият йодид е най-енергийният вариант, което го прави най-ефективен за жилищни единици. Цинковият йодид предлага много предимства дори в сравнение с лития: той има по-малко проблеми с веригата за доставки и също така може да се превърне в цинков оксид и да се разтвори в киселина, което го прави много по-лесен за рециклиране.
Това електрохимично решение за тази уникална форма на поточната батерия се оказа по-мощно от конвенционалните планарни клетки.
Xing Xie, асистент професор в Училището по гражданско и екологично инженерство отбеляза: „Превъзходното представяне на SMBT беше демонстрирано и чрез анализ на крайните елементи. Този симулационен метод ще бъде приложен и в нашето бъдещо проучване за оптимизиране на ефективността на клетките и увеличаване на мащаба.
С химията на цинков йодид, батерията може да работи повече от 220 часа или до > 2500 цикъла при условия извън пика. Може също потенциално да намали цената от $800 до по-малко от $200 на киловатчас чрез използване на рециклиран електролит.
Изграждане на бъдещето на енергията
Изследователите вече работят върху комерсиализацията, като се фокусират върху разработването на батерии с различни химикали като ванадий и увеличаване на техния размер. Мащабирането ще изисква създаване на автоматизиран процес за производство на модул с кухи влакна, който сега се извършва ръчно, влакно по влакно. Те в крайна сметка се надяват да разположат батерията в 1,4-мегаватовата микромрежа на Georgia Tech в Tech Square, проект, който тества интегрирането на микромрежата в електрическата мрежа и предлага жива лаборатория за преподаватели и студенти.
Клетките SBMT могат да се прилагат и към различни системи за съхранение на енергия като електролиза и горивни клетки. Технологията може дори да бъде подсилена с модерни материали и различна химия в различни приложения.
„Тази иновация е много ориентирана към приложението“, каза Лиу. „Имаме нужда да постигнем въглеродна неутралност чрез увеличаване на процента на възобновяемата енергия в нашето производство на енергия и в момента той е по-малко от 15% в САЩ. Нашите изследвания могат да променят това.“
***
Намаляването на обема на батерията със 75% е огромно подобрение. Както се отбелязва в прессъобщението, капацитетът и животът на зареждане/разреждане са огромни. Това плюс управлението около литий кара много наблюдатели на батерията да бъдат доста очаровани.
Въпросите, фокусирани върху изграждането на батерията, оформлението на ръката, дори за лабораторния тестов модул, трябваше да бъдат изключително досадни. Това и обемът на необходимите влакна, ако пазарът реагира, отиват към голям проект за инженеринг на процеси. Може би някой проницателен инженер ще използва лазер, за да пробие дупки в лист от влакнестия материал и да спести изцяло стъпката на оформлението. Ще има много идеи.
Но това е само на етапа на тестване за доказване. Тази технология със сигурност ще стане много по-добра и с това изследване, показващо огромно подобрение, вероятно друга вълна от усилия може да дойде бързо.
Повече от 2500 цикъла с първи дизайн. Еха.