Højtydende flow-batterier tilbyder vej til lagring af vedvarende energi på netniveau

En lavpris, Højtydende batterikemi udviklet af University of Colorado Boulder-forskere kan en dag føre til skalerbar lagring på netniveau for vind- og solenergi, der kan hjælpe elværker med at reducere deres afhængighed af fossile brændstoffer.

Den nye innovation, beskrevet i dag i journalen Joule , skitserer to vandige strømningsbatterier, også kendt som redox flow batterier, som bruger krom og organiske bindemidler for at opnå exceptionel spænding og høj effektivitet. Komponenterne er rigelige i naturen, tilbyder fremtidig løfte om omkostningseffektiv fremstilling.

"Vi er glade for at kunne rapportere nogle af de bedste batterikemier nogensinde, ud over tidligere grænser, " sagde Michael Marshak, seniorforfatter af undersøgelsen og en adjunkt i CU Boulders afdeling for kemi. "Materialerne er billige, ikke-giftig og let tilgængelig."

Vedvarende energikilder udgør en voksende andel af amerikansk elproduktion, men mangler i øjeblikket en storstilet løsning til lagring af høstet energi og genudnyttelse for at imødekomme efterspørgslen i perioder, hvor solen ikke skinner, og vinden ikke blæser.

"Der er uoverensstemmelser mellem udbud og efterspørgsel på energinettet i løbet af dagen, " sagde Marshak, som også er fellow i Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI). "Solen kan opfylde nettets behov om morgenen, men efterspørgslen har en tendens til at toppe sidst på eftermiddagen og fortsætte til aften efter solen er gået ned. Lige nu, forsyningsselskaber er nødt til at udfylde dette hul ved hurtigt at sætte gang i deres kul- og naturgasproduktion, ligesom du ville tage en bil fra nul til tres."

Selvom lithium-ion kan levere strøm til mindre applikationer, du ville bruge millioner af batterier til at tage backup af selv et lille fossilt brændstofkraftværk i en time, siger Marshak. Men mens lithiumionkemien er effektiv, den er dårligt egnet til at opfylde kapaciteten af ​​et helt vindmøllefelt eller solcellepanel.

"Det grundlæggende problem med lithium-ion-batterier er, at de ikke skalerer særlig godt, " sagde Marshak. "Jo mere solidt materiale du tilføjer, jo mere modstand du tilføjer, og så skal alle de andre komponenter øges i takt. Så i bund og grund, hvis du vil have dobbelt så meget energi, du skal bygge dobbelt så mange batterier, og det er bare ikke omkostningseffektivt, når du taler om så mange megawatt-timer."

Flow-batterier er blevet identificeret som en mere lovende vej. Vandige batterier holder deres aktive ingredienser adskilt i flydende form i store tanke, tillader systemet at distribuere energi på en administreret måde, på samme måde som en benzintank giver en stabil brændstofforbrænding til en bils motor, når du trykker på pedalen.

Selvom der er nogle eksempler på strømningsbatterier, der har fungeret konsekvent i årtier (såsom i Japan), de har kæmpet for at få et bredt fodfæste i kommerciel og kommunal drift til dels på grund af deres uhåndterlige størrelse, høje driftsomkostninger og forholdsvis lav spænding.

"Størrelsen er mindre et problem for netsystemer, fordi det bare ville blive knyttet til en allerede stor struktur, " sagde Marshak. "Det, der betyder noget, er omkostningerne, og det var det, vi ville forbedre."

Forskerne gik tilbage til det grundlæggende, genundersøgte strømningsbatteriets kemi, der var blevet undersøgt for år siden, men forladt. Nøglen viste sig at være at kombinere organiske bindemidler, eller chelater, med chromioner for at stabilisere en potent elektrolyt.

"Nogle mennesker har taget denne tilgang før, men havde ikke været nok opmærksom på bindemidlerne, " sagde Brian Robb, hovedforfatter på det nye studie og ph.d.-studerende ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik (CHBE). "Du skal skræddersy chelatet til metalionen, og vi gjorde en masse arbejde med at finde den rigtige, der ville binde dem tæt."

Marshak, Robb og medforfatter Jason Farrell tilpasset chelat kendt som PDTA skaber et "skjold" omkring chromelektronen, forhindrer vand i at hæmme reaktanten og tillader en af ​​battericellerne at sprede 2,13 volt - næsten det dobbelte af driftsgennemsnittet for et flowbatteri.

PDTA er en spinoff af EDTA, et middel, der allerede er brugt i noget håndsæbe, fødevarekonserveringsmidler og kommunale vandbehandlinger på grund af dets bakteriehæmmende egenskaber. EDTA anses for ikke-giftigt. Kemien bruger også den godartede form af chrom, samme type, der anvendes i kirurgiske instrumenter i rustfrit stål.

"Vi fik dette til at virke ved den relativt neutrale pH på 9, i modsætning til andre batterier, der bruger stærkt ætsende syre, som er svære at arbejde med og svære at bortskaffe på ansvarlig vis, " sagde Robb. "Dette er mere beslægtet med vaskemiddel."

"Du kunne bestille 15 tons af disse materialer i morgen, hvis du ville, fordi der er eksisterende fabrikker, der allerede producerer dem, " tilføjede Marshak.

Marshak og Robb har indgivet patent på innovationen med bistand fra CU Boulder Venture Partners. They plan to continue optimizing their system, including scaling it up in the lab in order to cycle the battery for even longer periods of time.

"We've solved the problem on a fundamental level, " Marshak said. "Now there are a lot of things we can try in order to keep pushing the performance limit."