Forskere ser på nye metoder til at forbedre batteriets ydeevne

Forskere ved Penn State ser på innovative måder at forbedre energilagring i et forsøg på bedre at udnytte vedvarende energiteknologier.

"En af de primære forhindringer, der forhindrer os i at stole stærkt på vedvarende energisystemer, er, at vi ikke kan regulere, hvornår de giver os strøm, "sagde Derek Hall, assisterende professor i energiteknik ved Penn State. "Ideelt set vi ønsker at finde en slags energilagringsteknologi, der kan komplementere vedvarende energi for at hjælpe os med overgangen til en mere bæredygtig energiinfrastruktur."

Vedvarende energisystemer, såsom vind og sol, er i stand til at producere nok elektricitet til at drive hele samfund. Imidlertid, de er afhængige af naturlige processer til at producere den nødvendige elektricitet, og naturen kan være uforudsigelig. Dette resulterer i ebbe og flod i vedvarende elproduktion. Til tider, vind og sol er i stand til at producere mere end nettet kan klare, driver elpriserne i negativ retning. Alternativt hvis vinden stopper, eller der er en periode med dårligt vejr, produktionen går i stå og priserne skyder i vejret.

Dette fænomen inspirerede Hall til at begynde at udforske mere omkostningseffektive, energilagringsstrategier gennem flere samarbejdsprojekter i Penn State.

Forbedring af batterikemi

Hal, sammen med Christopher Gorski, lektor i miljøteknik, og Serguei Lvov, professor i energi og mineralteknik og materialevidenskab og teknik og direktør for programmet Elektrokemiske teknologier ved EMS Energy Institute, bruger ligandkemi til at forbedre den elektrokemiske ydeevne af billigere batterikemi, takket være et tilskud fra Institut for Energi og Miljø (IEE) og Materials Research Institute.

"Målet er at forsøge at finde billigere materialer til at lave batterier med, "Sagde Hall." Den største forhindring, der stopper os, er, at de fleste billige materialer har små energilagringstætheder, hvilket fører til dårlig batteriydelse."

Ligander er ioner eller molekyler, der binder til et centralt metal. De er almindeligt anvendt i naturen og biomimetiske processer for at ændre metalreaktivitet, men de har ikke tidligere været brugt i flow-batterier. Forskerne bruger materialer som kobber, jern og krom, som er billigere end traditionelle materialer som lithium, kobolt og vanadium, og parre dem med ligander i et forsøg på at reducere kapitalomkostningerne i forbindelse med produktion af batterier markant.

Holdet vil derefter udføre eksperimenter for at identificere, om metal-ligand-komplekserne opnår høje energilagringstætheder. De vil gøre dette i tre trin:termodynamisk, kinetisk, og fuld celletest. I hvert trin, forskellige nøgleparametre testes for et typisk redox -strømbatteri. Den termodynamiske fase vil undersøge, hvordan liganderne påvirker elektrodepotentialet, så vil den kinetiske fase teste, hvor meget elektrisk strøm der kan udnyttes. Endelig, forskerne vil teste alle komponenterne sammen for at se, hvordan de fungerer sammen.

"Mange dele af denne historie mangler stadig, så dette vil i høj grad være et grundlæggende forskningsprojekt, " sagde Hall. "Der er ingen reel samlet teori, der forklarer, hvordan ligander påvirker elektrokemiske reaktioner."

Forskerne håber, at dette projekt, med titlen "Nye Low-Cost Flow Battery Chemistries via Ligand-Enhanced Redox Reactions, "vil give foreløbige resultater, der er nødvendige for at forfølge større tilskud med det formål at udvikle nye flowbatterikemikalier og få grundlæggende indsigt i, hvorfor og hvordan ligander ændrer reaktiviteterne af metalkomplekser.

"Vi er nødt til at begynde at udforske alle vores muligheder for energilagring, fordi omstilling af vores infrastruktur til vedvarende energi er en stor overgang, der er tidsfølsom, " sagde Hall. "Da vi byggede vores fossile brændstofinfrastruktur, det gjorde vi gennem mange årtier. Nu skal vi finde ud af, hvad de bedste valg er, eller de mest funktionelle valg, er, og derefter bygge en masse af det virkelig snart. "

Konvertering af spildvarme til strøm

Hall arbejder også med Bruce Logan, professor i miljøteknik, og Matthew Rau, adjunkt i maskinteknik, på forskning finansieret gennem en anden frøbevilling, der har til formål at forbedre ydeevnen og effektkapaciteten for flowbatterier, der oplades med spildvarme i stedet for elektricitet.

"Hvis vi kunne finde en måde at omdirigere spildvarme til elektricitet, selvom det er et lille beløb på efterspørgsel, dette kan hjælpe med at mindske vores behov for mere elproduktion, " sagde Hall.

Ligesom med Halls andet projekt, dette hold bruger en type flow-batteriteknologi, men med en unik termisk opladningsmetode. Projektet, med titlen "Forøgende effekttætheder og cykluseffektiviteter af roman, Termisk opladede strømbatterier ved hjælp af avancerede flowcelletopologier, " vil forsøge at forbedre strømtætheden gennem karakteristiske batteriflowfeltdesigns. De vil gøre dette gennem beregningsmodellering ved hjælp af COMSOL Multiphysics-software.

"Teknologien, vi arbejder på, bruger en specifik kemisk sammensætning, hvor du kan genoplade den kemiske reaktion ved hjælp af spildvarme i stedet for elektricitet, "Sagde Rau.

I et traditionelt batteri, en kemisk reaktion skaber udledningspotentialet, producerer elektricitet. Når processen vendes om for at genoplade batteriet, der skal bruges noget strøm til det. For denne nye teknologi, forskerne vil genoplade batteriet ved at adskille to kemikalier ved hjælp af spildvarme. Når disse kemikalier kombineres igen, de vil skabe en kemisk reaktion, der genererer elektricitet, derfor elimineres behovet for at bruge ekstra elektricitet til at genoplade batteriet.

"Dette ville være en konkurrerende teknologi til de traditionelle energilagringsmetoder, såsom lithium-ion-batterier, men unik i det faktum, at det ikke kræver elektricitet, " sagde Rau. "Det kræver varme at lade op, så vi åbner i bund og grund en ny ressource, der potentielt kan drive industrielle processer eller en del af elnettet."

Grundideen har været omkring fem år, Rau sagde, men forskerne søger at forbedre ydeevnen af ​​den grundlæggende model, så det kan blive kommercielt levedygtigt.

"At udvikle denne teknologi vil ikke være let, " sagde han. "Disse batterier strømmer elektrolytter gennem porøse elektroder. Væskestrømmen alene er kompliceret nok til at modellere uden selv at overveje, at de kemiske reaktioner også forekommer. Vi udvikler ekspertisen til præcist at modellere, hvordan væskestrømmen i disse batterier påvirker de forskellige kemiske reaktioner og i sidste ende, hvordan disse parametre relaterer til batteriets udgangseffekt."

Forskerne håber på, at de foreløbige eksperimenter, der er udført før starten af ​​denne undersøgelse, har givet dem de nødvendige værktøjer til succes.

"Vi har i øjeblikket kun lidt brug for spildvarme i industrien og i elproduktion, " sagde Rau. "Det bliver bare kasseret med kølevandet eller spyet ud i atmosfæren i en udstødningsstabel. Hvis vi rent faktisk kan udnytte den spildvarme, vi øger energieffektiviteten i mange forskellige industrier. "

Disse projekter illustrerer behovet for at udvikle storskala, energilagringsteknologier, der passer godt sammen med vedvarende energiteknologier, sagde Hall.

"Der vil ikke være én løsning, der bare vinder, " tilføjede han. "Det vil sandsynligvis være en blanding. Det er sådan set en situation med alle hænder på dækket. Vi ved virkelig ikke, hvilken der kommer til at fungere, eller hvornår det bliver nødvendigt, så jeg tror, ​​at det er den bedste vej frem, at udforske flere muligheder."