Gå med strømmen:Forskere designer nye netbatterier til vedvarende energi

Hvordan opbevarer du vedvarende energi, så den er der, når du har brug for den, selv når solen ikke skinner eller vinden ikke blæser? Kæmpebatterier designet til det elektriske net - kaldet flowbatterier, som lagrer elektricitet i tanke med flydende elektrolyt - kunne være svaret, men hidtil har forsyningsselskaber endnu ikke fundet et omkostningseffektivt batteri, der pålideligt kan drive tusindvis af hjem gennem en livscyklus på 10 til 20 år.

Nu, en batterimembranteknologi udviklet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan pege på en løsning.

Som rapporteret i tidsskriftet af Joule , forskerne udviklede en alsidig, men overkommelig batterimembran - fra en klasse af polymerer kendt som AquaPIM'er. Denne klasse af polymerer gør langtidsholdbare og billige netbatterier mulige udelukkende baseret på let tilgængelige materialer såsom zink, jern, og vand. Holdet udviklede også en simpel model, der viser, hvordan forskellige batterimembraner påvirker batteriets levetid, som forventes at fremskynde forskning og udvikling i tidlige stadier af flow-batteriteknologier, især i jagten på en passende membran til forskellige batterikemier.

"Vores AquaPIM membranteknologi er godt positioneret til at accelerere vejen til markedet for flowbatterier, der bruger skalerbare, lavpris, vandbaseret kemi, " sagde Brett Helms, en hovedforsker i Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) og stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, der ledede undersøgelsen. "Ved at bruge vores teknologi og medfølgende empiriske modeller for batteriydelse og levetid, andre forskere vil hurtigt være i stand til at evaluere klarheden af ​​hver komponent, der går ind i batteriet, fra membranen til de ladningslagrende materialer. Dette burde spare tid og ressourcer for både forskere og produktudviklere."

De fleste netbatterikemier har stærkt alkaliske (eller grundlæggende) elektroder - en positivt ladet katode på den ene side, og en negativt ladet anode på den anden side. Men nuværende state-of-the-art membraner er designet til sure kemier, såsom de fluorerede membraner, der findes i brændselsceller, men ikke til alkaliske flow-batterier. (I kemi, pH er et mål for hydrogenionkoncentrationen af ​​en opløsning. Rent vand har en pH-værdi på 7 og betragtes som neutralt. Sure opløsninger har en høj koncentration af hydrogenioner, og beskrives som havende en lav pH, eller en pH under 7. På den anden side alkaliske opløsninger har lave koncentrationer af hydrogenioner og har derfor en høj pH, eller en pH-værdi over 7. I alkaliske batterier, pH-værdien kan være så høj som 14 eller 15.)

Fluorerede polymermembraner er også dyre. Ifølge Helms, de kan udgøre 15 % til 20 % af batteriets omkostninger, som kan køre i intervallet $300/kWh.

En måde at reducere omkostningerne ved flowbatterier på er helt at eliminere de fluorerede polymermembraner og komme med et højtydende, men billigere alternativ såsom AquaPIM'er, sagde Miranda Baran, en kandidatstuderende forsker i Helms' forskningsgruppe og undersøgelsens hovedforfatter. Baran er også ph.d. studerende ved Institut for Kemi ved UC Berkeley.

Tilbage til det grundlæggende

Helms og medforfattere opdagede AquaPIM-teknologien - som står for "vandige-kompatible polymerer med iboende mikroporøsitet" - mens de udviklede polymermembraner til vandige alkaliske (eller basiske) systemer som en del af et samarbejde med medforfatter Yet-Ming Chiang, en hovedefterforsker i JCESR og Kyocera professor i materialevidenskab og teknik ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Gennem disse tidlige eksperimenter, forskerne lærte, at membraner modificeret med et eksotisk kemikalie kaldet "amidoxim" tillod ioner at rejse hurtigt mellem anoden og katoden.

Senere, mens man evaluerer AquaPIM-membranens ydeevne og kompatibilitet med forskellige netbatterikemier – f.eks. en eksperimentel opsætning brugte zink som anode og en jernbaseret forbindelse som katode - forskerne opdagede, at AquaPIM-membraner fører til bemærkelsesværdigt stabile alkaliske celler.

Ud over, de fandt ud af, at AquaPIM-prototyperne bibeholdt integriteten af ​​de ladningslagrende materialer i katoden såvel som i anoden. Da forskerne karakteriserede membranerne ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), forskerne fandt ud af, at disse egenskaber var universelle på tværs af AquaPIM-varianter.

Baran og hendes samarbejdspartnere testede derefter, hvordan en AquaPIM-membran ville fungere med en vandig alkalisk elektrolyt. I dette eksperiment, de opdagede, at under alkaliske forhold, polymerbundne amidoximer er stabile - et overraskende resultat i betragtning af, at organiske materialer ikke typisk er stabile ved høj pH.

En sådan stabilitet forhindrede AquaPIM-membranporerne i at kollapse, således at de kan forblive ledende uden tab i ydeevne over tid, der henviser til, at porerne i en kommerciel fluorpolymer-membran kollapsede som forventet, på bekostning af dets iontransportegenskaber, Helms forklarede.

Denne adfærd blev yderligere bekræftet med teoretiske undersøgelser af Artem Baskin, en postdoc-forsker, der arbejder med David Prendergast, som er fungerende direktør for Berkeley Labs Molecular Foundry og en hovedefterforsker i JCESR sammen med Chiang og Helms.

Baskin simulerede strukturer af AquaPIM-membraner ved hjælp af beregningsressourcer ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) og fandt ud af, at strukturen af ​​polymererne, der udgør membranen, var signifikant modstandsdygtige over for porekollaps under meget basale forhold i alkaliske elektrolytter.

En skærmtest for bedre batterier

Mens vi evaluerer AquaPIM-membranens ydeevne og kompatibilitet med forskellige netbatterikemier, forskerne udviklede en model, der knyttede batteriets ydeevne til ydeevnen af ​​forskellige membraner. Denne model kunne forudsige levetiden og effektiviteten af ​​et flowbatteri uden at skulle bygge en hel enhed. De viste også, at lignende modeller kunne anvendes på andre batterikemier og deres membraner.

"Typisk, du skulle vente uger, hvis ikke måneder, for at finde ud af, hvor længe et batteri vil vare efter at have samlet hele cellen. Ved at bruge en enkel og hurtig membranskærm, du kan skære det ned til et par timer eller dage, " sagde Helms.

Forskerne planlægger dernæst at anvende AquaPIM-membraner på tværs af et bredere spektrum af vandstrømsbatterikemi, fra metaller og uorganiske til organiske og polymerer. De forventer også, at disse membraner er kompatible med andre vandige alkaliske zinkbatterier, inklusive batterier, der bruger enten ilt, manganoxid, eller metal-organiske rammer som katoden.

Forskere fra Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Tekniske Institut, og Istituto Italiano di Tecnologia deltog i undersøgelsen.