Чистая энергия является ведущим решением проблемы изменения климата. Но солнечная и ветровая энергия непоследовательны в производстве достаточного количества энергии для надежной энергосистемы. В качестве альтернативы литий-ионные батареи могут накапливать энергию, но их ресурс ограничен.

«Преимущество угольной электростанции в том, что она очень устойчива», — сказал Ниан Лю, доцент Технологического института Джорджии. «Если источник питания колеблется, как это происходит с чистой энергией , им сложнее управлять, так как же мы можем использовать устройство или систему хранения энергии, чтобы сгладить эти колебания?»

Проточные батареи предлагают решение. Электролиты протекают через электрохимические элементы из резервуаров для хранения в этой перезаряжаемой батарее. Существующие технологии проточных батарей стоят более 200 долларов за киловатт-час и слишком дороги для практического применения, но лаборатория Лю в Школе химической и биомолекулярной инженерии (ChBE) разработала более компактную конфигурацию ячеек проточных батарей, которая уменьшает размер ячейки на 75%, и соответственно уменьшает размеры и стоимость всей проточной батареи. Работа может произвести революцию в том, как питается все, от крупных коммерческих зданий до жилых домов.

Исследовательская группа из Технологического института Джорджии опубликовала свои выводы в статье «Микротрубчатая проточная батарея субмиллиметрового сечения со сверхвысокой объемной плотностью мощности» в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Поиск потока

Проточные батареи получили свое название от проточной ячейки, в которой происходит обмен электронами. Их обычная конструкция, плоская ячейка, требует громоздких распределителей потока и прокладок, что увеличивает размер и стоимость, но снижает общую производительность. Сама клетка тоже дорогая. Чтобы уменьшить занимаемую площадь и стоимость, исследователи сосредоточились на повышении удельной мощности проточной кюветы (Вт/л ячейки).

Они обратились к конфигурации, обычно используемой в химическом разделении — субмиллиметровой, связанной микротрубчатой ​​(SBMT) мембране — сделанной из фильтрующей мембраны в форме волокна, известной как полое волокно. Эта инновация отличается компактной конструкцией, позволяющей уменьшить давление на мембраны, через которые проходят ионы, без необходимости в дополнительной вспомогательной инфраструктуре.

«Нас интересовало влияние геометрии аккумуляторного сепаратора на производительность проточных аккумуляторов», — сказал Райан Лайвли, профессор ЧБЭ. «Мы знали о преимуществах полых волокон в разделительных мембранах и решили реализовать те же преимущества в области аккумуляторов».

Применяя эту концепцию, исследователи разработали SMBT, который уменьшает расстояние от мембраны до мембраны почти в 100 раз. Микротрубчатая мембрана в конструкции одновременно работает как распределитель электролита без необходимости использования больших вспомогательных материалов. Связанные микротрубки создают более короткое расстояние между электродами и мембранами, увеличивая объемную удельную мощность. Этот дизайн упаковки является ключевым открытием для максимизации потенциала проточных батарей.

Питание аккумулятора

Чтобы проверить свою новую конфигурацию батареи, исследователи использовали четыре различных химических вещества: ванадий, бромид цинка, хинон-бромид и йодид цинка. Хотя все химические вещества функциональны, два из них были наиболее многообещающими. Ванадий был наиболее зрелым химическим веществом, но и менее доступным, а его восстановленная форма неустойчива на воздухе. Они обнаружили, что йодистый цинк является наиболее энергоемким вариантом, что делает его наиболее эффективным для жилых помещений. Цинк-йодид предлагает много преимуществ даже по сравнению с литием: он менее проблематичен в цепочке поставок, а также может быть превращен в оксид цинка и растворен в кислоте, что значительно упрощает его переработку.

Это электрохимическое решение для этой уникальной формы проточной батареи оказалось более мощным, чем обычные планарные элементы.

«Превосходные характеристики SMBT также были продемонстрированы с помощью анализа конечных элементов», — сказал Син Се, доцент Школы гражданского и экологического проектирования. «Этот метод моделирования также будет применяться в нашем будущем исследовании для оптимизации и увеличения производительности ячеек».

Благодаря химическому составу на основе йодида цинка батарея может работать более 220 часов или до > 2500 циклов в непиковых условиях. Это также потенциально может снизить стоимость с 800 долларов до менее чем 200 долларов за киловатт-час за счет использования переработанного электролита.

Строим будущее энергетики

Исследователи уже работают над коммерциализацией, уделяя особое внимание разработке батарей с различными химическими веществами, такими как ванадий, и увеличению их размера. Масштабирование потребует разработки автоматизированного процесса производства модуля с полыми волокнами, который сейчас выполняется вручную, волокно за волокном. В конечном итоге они надеются развернуть батарею в 1,4-мегаваттной микросети Технологического института Джорджии в Tech Square, проекте, который проверяет интеграцию микросети в энергосистему и предлагает живую лабораторию для профессоров и студентов.

Ячейки SBMT также могут применяться в различных системах накопления энергии, таких как электролиз и топливные элементы. Технологию можно было бы даже укрепить с помощью передовых материалов и различной химии в различных приложениях.

«Эта инновация очень ориентирована на применение», — сказал Лю. «Нам необходимо достичь углеродной нейтральности за счет увеличения доли возобновляемой энергии в нашем производстве энергии, и сейчас в США она составляет менее 15%. Наши исследования могут изменить это».