Forskere udvikler vandbaseret batteri til lagring af solenergi og vindenergi

Stanford-forskere har udviklet et vandbaseret batteri, der kan give en billig måde at lagre vind- eller solenergi, der genereres, når solen skinner og vinden blæser, så det kan føres tilbage til elnettet og omfordeles, når efterspørgslen er stor.

Prototypen mangan-hydrogenbatteri, rapporteret i dag i Naturenergi , er kun tre centimeter høj og genererer kun 20 milliwattimer elektricitet, hvilket er på niveau med energiniveauerne i LED -lommelygter kan man hænge en nøglering.

På trods af prototypens minimale output, forskerne er overbeviste om, at de kan tage denne bordplade-teknologi op til et industrielt system, der kan oplade og genoplade op til 10, 000 gange, skabe et netbatteri med en nyttig levetid, der overstiger et årti.

Yi Cui, en professor i materialevidenskab ved Stanford og seniorforfatter på papiret, sagde mangan-hydrogen-batteriteknologi kunne være en af ​​de manglende brikker i landets energipuslespil-en måde at lagre uforudsigelig vind- eller solenergi på for at mindske behovet for at forbrænde pålidelige, men kulemitterende fossile brændstoffer, når de vedvarende kilder ikke er ledig.

"Det vi har gjort er at smide et specielt salt i vand, faldt i en elektrode, og skabte en reversibel kemisk reaktion, der lagrer elektroner i form af hydrogengas, "Sagde Cui.

Klog kemi

Teamet, der drømte konceptet og byggede prototypen, blev ledet af Wei Chen, en postdoktor i Kuis laboratorium. I det væsentlige lokkede forskerne til en reversibel elektronudveksling mellem vand og mangansulfat, en billig, rigeligt industrisalt, der bruges til at fremstille tørcellebatterier, gødning, papir og andre produkter.

For at efterligne, hvordan en vind- eller solkilde kan føre strøm til batteriet, forskerne knyttet en strømkilde til prototypen. Elektronerne, der strømmer ind, reagerede med mangansulfatet opløst i vandet for at efterlade partikler af mangandioxid, der klamrede sig til elektroderne. Overskydende elektroner boblede af som hydrogengas og lagrede dermed energien til fremtidig brug. Ingeniører ved, hvordan de kan genskabe elektricitet fra energien, der er lagret i hydrogengas, så det vigtige næste trin var at bevise, at det vandbaserede batteri kan genoplades.

Forskerne gjorde dette ved igen at knytte deres strømkilde til den udtømte prototype, denne gang med det formål at få mangandioxidpartiklerne til at klæbe til elektroden til at kombinere med vand, genopfyldning af mangansulfatsaltet. Da dette salt var blevet restaureret, indgående elektroner blev overskud, og overskydende effekt kan boble af som hydrogengas, i en proces, der kan gentages igen og igen og igen.

Cui vurderede, at i betragtning af det vandbaserede batteris forventede levetid, det ville koste en krone at lagre nok strøm til at drive en 100 watt lyspære i tolv timer.

"Vi tror, ​​at denne prototype-teknologi vil være i stand til at opfylde Department of Energy (DOE) mål for praktisk opbevaring af elektrisk opbevaring, "Sagde Cui.

DOE har anbefalet batterier til lagring i netskala skal opbevare og derefter aflade mindst 20 kilowatt strøm i løbet af en time, være i stand til mindst 5, 000 genopladninger, og har en levetid på 10 år eller mere. For at gøre det praktisk burde et sådant batterisystem koste $ 2, 000 eller mindre, eller $ 100 per kilowattime.

Tidligere Department of Energy Secretary and Nobel laureate Steven Chu, nu professor ved Stanford, har en mangeårig interesse i at tilskynde teknologier til at hjælpe nationen med at overgå til vedvarende energi.

"Selvom de præcise materialer og design stadig har brug for udvikling, denne prototype demonstrerer den type videnskab og teknik, der foreslår nye måder at opnå billige, langvarige nyttebatterier, "sagde Chu, der ikke var medlem af forskergruppen.

Skifter væk fra kulstof

Ifølge DOE's skøn, omkring 70 procent af amerikansk elektricitet genereres af kul- eller naturgasanlæg, som tegner sig for 40 procent af kuldioxidemissionerne. Skift til vind- og solgenerering er en måde at reducere disse emissioner på, men det skaber en ny udfordring, der involverer variationen i strømforsyningen. Mest åbenlyst, solen skinner kun om dagen, og Sommetider, vinden blæser ikke.

Men en anden mindre velkendt, men importform af variabilitet kommer fra stigende efterspørgsel på nettet-det netværk af højspændingsledninger, der distribuerer elektricitet over regioner og i sidste ende til hjem. På en varm dag, når folk kommer hjem fra arbejde og skruer op for klimaanlægget, forsyningsselskaber skal have belastningsafbalancerende strategier for at imødekomme spidsbehovet:En eller anden måde at øge elproduktionen på få minutter for at undgå nedbrud eller blackouts, der ellers kan bringe nettet ned.

I dag opnår forsyningsselskaber ofte dette ved at fyre on-demand eller "afsendelige" kraftværker op, der kan ligge inaktive store dele af dagen, men kan komme online inden for få minutter - producere hurtig energi, men øge kulstofemissionerne. Nogle forsyningsselskaber har udviklet en kortsigtet belastningsbalancering, der ikke er afhængig af fossile brændselsanlæg. Den mest almindelige og omkostningseffekt en sådan strategi er pumpet vandkraftlagring:brug af overskydende strøm til at sende vand op ad bakke, derefter lade det flyde ned igen for at generere energi under spidsbelastning. Imidlertid, vandkraftlagring fungerer kun i områder med vandet og rummet, så for at gøre vind og sol mere nyttig DOE har tilskyndet batterier med høj kapacitet som et alternativ.

Høj kapacitet, lavpris

Cui sagde, at der findes flere typer af genopladelige batteriteknologier på markedet, men det er ikke klart, hvilke tilgange der opfylder DOE -kravene og beviser deres anvendelighed over for forsyningsselskaberne, tilsynsmyndigheder og andre interessenter, der vedligeholder landets elektriske net.

For eksempel, Cui sagde genopladelige lithium -ion -batterier, som gemmer de små mængder energi, der er nødvendig for at køre telefoner og bærbare computere, er baseret på sjældne materialer og er derfor for dyre til at lagre strøm til et kvarter eller en by. Cui sagde, at opbevaring i netskala kræver en lav pris, høj kapacitet, genopladeligt batteri og mangan-brintprocessen virker lovende.

"Andre genopladelige batteriteknologier koster let mere end fem gange så meget i løbet af levetiden, "Tilføjede Cui.

Chen sagde ny kemi, lavprismaterialer og relativ enkelhed gjorde mangan-hydrogenbatteriet ideelt til billig distribution i netskala.

”Det gennembrud, vi rapporterer i Naturenergi har potentiale til at opfylde DOE's netskala-kriterier, "Sagde Chen.

Prototypen har brug for udviklingsarbejde for at bevise sig selv. For det første bruger den platin som katalysator til at anspore de afgørende kemiske reaktioner ved elektroden, der gør genopladningsprocessen effektiv, og omkostningerne ved denne komponent ville være uoverkommelige for storstilet implementering. Men Chen sagde, at teamet allerede arbejder på billigere måder at lokke mangansulfat og vand til at udføre den reversible elektronudveksling.

"Vi har identificeret katalysatorer, der kan bringe os under DOE -målet på $ 100 pr. Kilowattime, " han sagde.

Forskerne rapporterede at gøre 10, 000 genopladninger af prototyperne, hvilket er to gange DOE -kravene, men sig, at det vil være nødvendigt at teste mangan-brintbatteriet under faktiske opbevaringsforhold for elnettet for virkelig at kunne vurdere dets levetid og omkostninger.

Cui sagde, at han har forsøgt at patentere processen gennem Stanford Office of Technology Licensing, og planlægger at danne et selskab til kommercialisering af systemet.

Yi Cui er også professor i Photon Science Directorate ved SLAC National Accelerator Laboratory, og en senior stipendiat ved Precourt Institute for Energy, medlem af Stanford Bio-X og Stanford Neurosciences Institute. Yderligere medforfattere omfatter Guodong Li, en gæsteforsker i materialevidenskab og teknik og nu med det kinesiske videnskabsakademi; postdoktorer Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen og Jiangyan Wang; gæsteforsker Hao Zhang; og kandidatstuderende Zheng Liang, Yuzhang Li og Allen Pei.