Среда, 21 февраля, 2024
ДомойТехнологииРекордные достижения в конструкции проточных батарей следующего поколения

Рекордные достижения в конструкции проточных батарей следующего поколения

- Advertisement -

Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики успешно увеличили емкость и срок службы проточной батареи на 60%, используя добавку, полученную из крахмала, β-циклодекстрин, в новаторском эксперименте, который может изменить будущее крупномасштабного хранения энергии.

Сахарная добавка играет неожиданную роль, повышая емкость проточного аккумулятора и увеличивая срок службы этой энергоустойчивой конструкции энергосистемы.

Группа исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики совершила значительный прорыв в разработке проточных батарей, используя обычную пищевую и медицинскую добавку под названием β-циклодекстрин, полученную из крахмала. Исследование, опубликованное в журнале Joule, показывает, что проточная батарея сохраняла свою способность хранить и высвобождать энергию в течение более года постоянного цикла.

Обычная пищевая и лекарственная добавка показала, что она может повысить емкость и долговечность конструкции проточной батареи следующего поколения в ходе рекордного эксперимента.

Исследовательская группа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики сообщает, что проточная батарея, конструкция которой оптимизирована для хранения энергии в электрической сети, сохраняла свою способность хранить и высвобождать энергию в течение более года непрерывной зарядки и разрядки.

Руожу Фэн

Исследователь проточных батарей Руожу Фенг позирует с ингредиентами для долговечной сетевой батареи. Авторы и права: Андреа Старр, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория.

Исследование, только что опубликованное в журнале Джоуль, подробно описывает первое использование растворенного простого сахара, называемого β-циклодекстрином, производного крахмала, для увеличения срока службы и емкости батареи. В серии экспериментов ученые оптимизировали соотношение химических веществ в системе, пока она не достигла пиковой мощности на 60 процентов больше. Затем они включали батарею снова и снова в течение более года, остановив эксперимент только тогда, когда пластиковая трубка вышла из строя. За все это время проточная батарея почти не теряла активности для перезарядки. Это первый лабораторный эксперимент с проточными батареями, в котором сообщается о более чем годе непрерывного использования с минимальной потерей емкости.

Добавка β-циклодекстрина также первой ускоряет электрохимическую реакцию, которая накапливает, а затем высвобождает энергию проточного аккумулятора в процессе, называемом гомогенным катализом. Это означает, что сахар выполняет свою работу, будучи растворенным в растворе, а не в виде твердого вещества, нанесенного на поверхность.

«Это совершенно новый подход к разработке электролита для проточных аккумуляторов», — сказал Вей Ван, давний исследователь аккумуляторов PNNL и главный исследователь исследования. «Мы показали, что можно использовать совершенно другой тип катализатора, предназначенный для ускорения преобразования энергии. Кроме того, поскольку он растворяется в жидком электролите, исключается возможность смещения твердого вещества и загрязнения системы».

Анимация процесса Flow Battery

Проточные батареи обеспечивают длительное перезаряжаемое хранение энергии, особенно для надежности сети. В отличие от твердотельных батарей, проточные батареи хранят энергию в жидком электролите, показанном здесь желтым и синим цветом. Исследователи из PNNL разработали дешевую и эффективную новую проточную батарею, в которой используется простое производное сахара, называемое β-циклодекстрином (розовый), для ускорения химической реакции, которая преобразует энергию, запасенную в химических связях (фиолетовый, в оранжевый), высвобождая энергию (электроны) для питания внешней цепи. Параллельный обратимый процесс (красно-зеленый) в положительном растворе католита уравновешивает положительный и отрицательный заряды во время заряда и разряда. Авторы и права: Анимация Сары Левин, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория.

Что такое проточная батарея?

Как следует из названия, проточные батареи состоят из двух камер, каждая из которых заполнена разной жидкостью. Аккумуляторы заряжаются за счет электрохимической реакции и накапливают энергию в химических связях. При подключении к внешней цепи они выделяют ту энергию, которая может питать электрические устройства. Проточные батареи отличаются от твердотельных тем, что они имеют два внешних питающих резервуара с постоянно циркулирующей через них жидкостью для подачи электролита, который является своего рода «кровоснабжением» системы. Чем больше емкость для подачи электролита, тем больше энергии может хранить проточная батарея.

Если их масштабировать до размеров футбольного поля и более, проточные батареи могут служить резервными генераторами для электрической сети. Проточные батареи являются одним из ключевых столпов стратегии декарбонизации для хранения энергии из возобновляемых источников энергии. Их преимущество в том, что они могут быть построены в любом масштабе, от масштаба лабораторного стола, как в исследовании PNNL, до размера городского квартала.

Зачем нужны новые виды проточных батарей?

Крупномасштабное хранение энергии обеспечивает своего рода страховку от сбоев в работе нашей электрической сети. Когда суровые погодные условия или высокий спрос мешают поставлять электроэнергию в дома и на предприятия, энергия, хранящаяся в крупных проточных батареях, может помочь свести к минимуму сбои или восстановить обслуживание. Ожидается, что потребность в этих проточных батареях будет только расти, так как производство электроэнергии все больше осуществляется за счет возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и гидроэлектроэнергия. Подобным прерывистым источникам питания требуется место для хранения энергии до тех пор, пока она не понадобится для удовлетворения потребительского спроса.

Несмотря на то, что существует множество конструкций проточных батарей и некоторые коммерческие установки, существующие коммерческие объекты зависят от добытых полезных ископаемых, таких как ванадий, которые являются дорогостоящими и труднодоступными. Вот почему исследовательские группы ищут эффективные альтернативные технологии, в которых используются более распространенные материалы, которые легко синтезируются, стабильны и нетоксичны.

Электролит для экспериментальной проточной батареи

Исследователи готовят экспериментальный электролит для проточной батареи, который показал долгий срок службы в лабораторных условиях. Авторы и права: Андреа Старр, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория.

«Мы не всегда можем раскапывать землю в поисках новых материалов», — сказал Имре Гьюк, директор по исследованиям в области накопления энергии в Управлении электроэнергетики Министерства энергетики. «Нам необходимо разработать устойчивый подход к химическим веществам, которые мы можем синтезировать в больших количествах, как в фармацевтической и пищевой промышленности».

Работа над проточными батареями является частью большой программы PNNL по разработке и тестированию новых технологий для хранения энергии в масштабе сети, которая будет ускорена с открытием PNNL. Панель запуска Grid Storage в 2024 году.

Безвредная «сахарная вода» подслащивает горшок для эффективной батареи потока

В исследовательскую группу PNNL, разработавшую этот новый дизайн батареи, входят исследователи, имеющие опыт работы в области органического и химического синтеза. Эти навыки пригодились, когда команда решила работать с материалами, которые не использовались для исследования аккумуляторов, но уже производятся для других промышленных целей.

«Мы искали простой способ растворить больше флуоренола в нашем электролите на водной основе», — сказал Руожу Фэн, первый автор нового исследования. «В этом скромно помог β-циклодекстрин, но его реальным преимуществом была удивительная каталитическая способность».

Затем исследователи работали с соавтором Шарон Хаммес-Шиффер из Йельский университетведущий специалист по химической реакции, лежащей в основе каталитического ускорения, объяснить, как это работает.

Как описано в исследовании, сахарная добавка принимает положительно заряженные протоны, что помогает сбалансировать движение отрицательных электронов при разрядке батареи. Детали немного сложнее, но это похоже на то, как сахар подслащивает горшок, позволяя другим химическим веществам завершить свой химический танец.

Исследование представляет собой следующее поколение запатентованной PNNL конструкции проточной батареи, впервые описанной в журнале Science в 2021 году. исследователи показали, что другое распространенное химическое вещество, называемое флуореноном, является эффективным компонентом проточной батареи.. Но этот первоначальный прорыв нуждался в улучшении, потому что процесс был медленным по сравнению с коммерциализированной технологией проточных батарей. По словам исследователей, это новое достижение делает конструкцию батареи кандидатом на масштабирование.

В то же время исследовательская группа работает над дальнейшим улучшением системы, экспериментируя с другими соединениями, которые похожи на β-циклодекстрин, но меньшего размера. Как и в меде, добавление β-циклодекстрина также делает жидкость более густой, что далеко не идеально для проточной системы. Тем не менее, исследователи обнаружили, что его преимущества перевешивают недостатки.

Ссылка: «Регулируемое протонами окисление спирта для анолита проточной батареи на основе кетона большой емкости», Руочу Фэн, Ин Чен, Синь Чжан, Бенджамин Дж. Г. Руссо, Пейюань Гао, Пинг Чен, Себастьян Т. Мергельсберг, Лиронг Чжун, Аарон Холлас, Янган Лян, Виджаякумар Муругесан, Цянь Хуан, Эрик Уолтер, Шарон Хаммес-С. Чиффер, Юянь Шао и Вэй Ван, 6 июля 2023 г., Джоуль.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.013

Понимание сложной химии, происходящей внутри новой конструкции проточной батареи, потребовало опыта многих ученых, в том числе Ин Чена, Синь Чжана, Пейюань Гао, Пинга Чена, Себастьяна Мергельсберга, Лиронга Чжуна, Аарона Холласа, Янгана Лиана, Виджаякумара Муругесана, Цянь Хуана, Эрика Уолтера и Юянь Шао из PNNL, а также Бенджамина Дж. Г. Руссо и Хаммеса-Шиффера из Йельского университета. к Фэн и Ван.

Исследовательская группа подала заявку на патентную защиту США для своей новой конструкции батареи.

Это исследование получило поддержку Управления электроэнергетики Министерства энергетики в рамках его Программы накопления энергии и внутренних инвестиций в исследования в рамках Инициативы по материалам для хранения энергии в PNNL. Центр молекулярного электрокатализа, передовой исследовательский центр в области энергетики, финансируемый Управлением науки Министерства энергетики, базовые энергетические науки, поддержал математические расчеты, объясняющие увеличение емкости батареи. Дополнительные вспомогательные расчеты и исследования изображений были выполнены в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, национальном научном пользовательском объекте, расположенном в PNNL.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме