673886040@qq.com
Рекордные достижения в разработке проточных батарей нового поколения
Добавка сахара играет неожиданную роль, увеличивая емкость проточной батареи и долговечность этой конструкции энергоустойчивости сети.
В ходе рекордного эксперимента обычная пищевая и медицинская добавка показала, что она может повысить емкость и долговечность конструкции проточной батареи следующего поколения.
В исследовании, только что опубликованном в журнале Joule, подробно рассказывается о первом использовании растворенного простого сахара под названием β-циклодекстрин, производного крахмала, для увеличения срока службы и емкости аккумулятора. В серии экспериментов ученые оптимизировали соотношение химикатов в системе, пока пиковая мощность не увеличилась на 60 процентов. Затем они заряжали 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 потеряла активность для подзарядки. Это первый лабораторный эксперимент с проточной батареей, в котором сообщается о непрерывном использовании более года с минимальной потерей емкости.
Добавка β-циклодекстрина также первой ускоряет электрохимическую реакцию, которая сохраняет, а затем высвобождает энергию проточной батареи в процессе, называемом гомогенным катализом. Это означает, что сахар выполняет свою работу, растворившись в растворе, а не в виде твердого вещества, нанесенного на поверхность.
«Это совершенно новый подход к разработке электролита для проточных аккумуляторов», — сказал Вэй 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 растворен в жидком электролите, это исключает возможность смещения твердого вещества и загрязнения системы».
Что такое проточная батарея?
Как следует из названия, проточные батареи состоят из двух камер, каждая из которых заполнена разной жидкостью. Батареи заряжаются посредством электрохимической реакции и сохраняют энергию в химических связях. При подключении к внешней цепи они выделяют энергию, которая может питать электрические устройства. Проточные аккумуляторы отличаются от твердотельных аккумуляторов тем, что они имеют два внешних запасных резервуара с постоянно циркулирующей в них жидкостью для подачи электролита, который является своего рода «кровоснабжением» системы. Чем больше резервуар для подачи электролита, тем больше энергии может хранить проточная батарея.
Если их масштабировать до размеров футбольного поля или больше, проточные батареи могут служить резервными генераторами для электросети. Проточные батареи являются одним из ключевых столпов стратегии декарбонизации для хранения энергии из возобновляемых источников энергии. Их преимущество в том, что их можно построить в любом масштабе: от масштаба лабораторного стола, как в исследовании PNNL, до размера городского квартала.
Зачем нам нужны новые виды проточных батарей?
Крупномасштабное хранение энергии обеспечивает своего рода страховку от сбоев в работе нашей электросети. Когда суровые погодные условия или высокий спрос препятствуют возможности поставлять электроэнергию в дома и предприятия, энергия, хранящаяся в крупных проточных аккумуляторных установках, может помочь свести к минимуму сбои или восстановить работу. Ожидается, что потребность в этих установках с проточными батареями будет только расти, поскольку производство электроэнергии все чаще происходит из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и гидроэлектроэнергия. Такие источники прерывистого питания, как эти, требуют места 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 предприятия полагаются на добытые минералы, такие 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.
«Мы не всегда можем раскапывать Землю в поисках новых материалов», — сказал Имре Гюк, директор по исследованиям в области хранения энергии в Управлении электричества Министерства энергетики. «Нам необходимо разработать устойчивый подход к использованию химических веществ, которые мы можем синтезировать в больших количествах — точно так же, как в фармацевтической и пищевой промышленности».
Работа над проточными батареями является частью крупной программы PNNL по разработке и тестированию новых технологий сетевого хранения энергии, которая будет ускорена с открытием стартовой площадки Grid Storage Launchpad PNNL в 2024 году.
Безвредная «сахарная вода» подслащивает кастрюлю, создавая эффективную проточную батарею
Исследовательская группа PNNL, разработавшая эту новую конструкцию батареи, включает исследователей, имеющих опыт работы в области органического и химического синтеза. Эти навыки пригодились, когда команда решила работать с материалами, которые еще не использовались для исследования аккумуляторов, но уже производятся для других промышленных целей.
В то же время исследовательская группа работает над дальнейшим улучшением системы, экспериментируя с другими соединениями, похожими на β-циклодекстрин, но меньшими по размеру. Как и мед, добавление β-циклодекстрина также делает жидкость более густой, что не идеально для проточной системы. Тем не менее, исследователи обнаружили, что его преимущества перевешивают недостатки.
Ссылка: «Протон-регулируемое окисление спирта для анолита проточной батареи на основе кетонов высокой емкости», авторы: Руочжу Фэн, Ин Чен, Синь Чжан, Бенджамин Дж.Г. Руссо, Пейюань Гао, Пин Чен, Себастьян Т. Мергельсберг, Лиронг Чжун, Аарон Холлас, Янган Лян, Виджаякумар Муругесан, Цянь Хуан, Эрик Уолтер, Шэрон Хаммес-Шиффер, Юянь Шао и Вэй Ван, 6 июля 2023 г., Джоуль.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.013
Поимание сложных химических процессов, происходящих внутри новой конструкции проточной батареи, потребовало опыта многих ученых, в том числе Инь Чена, Синь Чжана, Пэйюаня Гао, Пин Чена, Себастьяна Мергельсберга, Лиронг Чжуна, Аарона Холласа, Янгана Лиана, Виджаякумара Муругесана, Цянь Хуана, Эрика. Уолтер и Юян Шао из PNNL, а также Бенджамин Дж. Г. Руссо и Хаммес-Шиффер из Йельского университета, а также Фэн и Ван.
Исследовательская группа подала заявку на патентную защиту в США для своей новой конструкции батареи.
Это исследование получило поддержку со стороны Управления электроэнергетики Министерства энергетики США в рамках его Программы накопления энергии, а также за счет внутренних инвестиций в исследования в рамках Инициативы по материалам для хранения энергии в PNNL. Центр молекулярного электрокатализа, энергетический передовой исследовательский центр, финансируемый Управлением науки фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, поддержал математические расчеты, объясняющие увеличение емкости аккумулятора. Дополнительные вспомогательные расчеты и исследования изображений были выполнены в Лаборатории молекулярных наук окружающей среды, национальном научном центре, расположенном в PNNL.
