Ученые создали батарею, предназначенную для электросети, которая накапливает энергию в течение нескольких месяцев, не теряя большой емкости.
Разработка «батареи замораживания-оттаивания», которая замораживает свою энергию для последующего использования, — это шаг к батареям, которые можно использовать для сезонного хранения: экономить энергию в одно время года, например весной, и тратить ее в другое время, например осень.
Прототип небольшой, размером с хоккейную шайбу. Но потенциальная польза науки, лежащей в основе устройства, огромна, предсказывая время, когда энергия из прерывистых источников, таких как солнечный свет и ветер, может храниться в течение длительного времени. Работа ученых из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США была опубликована в Интернете 23 марта в Cell Reports Physical Science.
«Технологии накопления энергии с более длительным сроком службы важны для повышения устойчивости сети при включении большого количества возобновляемой энергии», — сказал Имре Гюк, директор по хранению энергии в Управлении электроэнергетики Министерства энергетики, которое финансировало работу. «Это исследование знаменует собой важный шаг к решению для сезонного хранения аккумуляторов, которое преодолевает ограничения саморазряда современных аккумуляторных технологий».
Использование и упаковка энергии природы
Возобновляемые источники прибывают и отступают в соответствии с природными циклами. Это затрудняет их включение в надежный и постоянный поток электроэнергии. Например, весной на Тихоокеанском Северо-Западе реки, полные стока, перекрывают плотины гидроэлектростанций до предела, в то время как в ущелье Колумбия свирепо дуют ветры. Вся эта сила должна быть использована немедленно или сохранена максимум на несколько дней.
Сетевые операторы хотели бы использовать эту весеннюю энергию, хранить ее в больших батареях, а затем высвобождать ее в конце года, когда ветры в регионе слабы, реки маловодны и спрос на электроэнергию достигает пика.
Аккумуляторы также повысят способность коммунальных предприятий выдерживать перебои в подаче электроэнергии во время сильных штормов, предоставляя большое количество энергии для подачи в сеть после урагана, лесного пожара или другого стихийного бедствия.
«Это очень похоже на выращивание пищи в саду весной, закладывание излишков в контейнер в морозильную камеру, а затем размораживание для ужина зимой», — сказал первый автор Миньюань «Миллер» Ли.
Аккумулятор сначала заряжают, нагревая его до 180 градусов по Цельсию, позволяя ионам проходить через жидкий электролит для создания химической энергии. Затем батарея охлаждается до комнатной температуры, по существу, сохраняя энергию батареи. Электролит становится твердым, а ионы, переносящие энергию, остаются почти неподвижными. Когда энергия необходима, батарея повторно нагревается, и энергия течет.
Явление замерзания-оттаивания возможно, потому что электролитом батареи является расплавленная соль — молекулярный родственник обычной поваренной соли. Материал жидкий при более высоких температурах, но твердый при комнатной температуре.
Концепция замораживания-оттаивания позволяет избежать проблемы, знакомой каждому, кто оставил свой автомобиль без дела слишком долго: аккумулятор, который саморазряжается, когда он простаивает. Быстрая скорость разрядки, как у аккумуляторов в большинстве автомобилей или ноутбуков, затруднила бы сетевую батарею, предназначенную для хранения энергии в течение месяцев. Примечательно, что батарея замораживания-оттаивания PNNL сохранила 92 процента своей емкости в течение 12 недель.
Другими словами, энергия не сильно деградирует; он сохраняется, как еда в морозильной камере.
Обычные ингредиенты плюс
Команда избегала редких, дорогих и высокореактивных материалов. Вместо этого алюминиево-никелевая батарея из расплавленной соли битком набита распространенными на Земле материалами. Анод и катод представляют собой сплошные пластины из алюминия и никеля соответственно. Они погружены в море расплавленного солевого электролита, который тверд при комнатной температуре, но становится жидким при нагревании. Команда добавила серу — еще один распространенный недорогой элемент — в электролит, чтобы повысить энергоемкость батареи.
Одним из самых больших преимуществ батареи является состав компонента, называемого сепаратором, расположенным между анодом и катодом. Для большинства высокотемпературных батарей с расплавленной солью требуется керамический сепаратор, который может быть более дорогим в изготовлении и подвержен поломке во время цикла замораживания-оттаивания. В батарее PNNL используется простое стекловолокно, что возможно из-за стабильного химического состава батареи. Это снижает затраты и делает аккумулятор более устойчивым к циклам замораживания-оттаивания.
«Снижение стоимости аккумуляторов имеет решающее значение. Вот почему мы выбрали для работы обычные, менее дорогие материалы и сосредоточились на удалении керамического сепаратора», — сказал автор статьи Гуошэн Ли, руководивший исследованием.
Энергия батареи сохраняется при стоимости материалов около 23 долларов за киловатт-час, измеренной до недавнего скачка стоимости никеля. Команда изучает возможность использования менее дорогого железа в надежде снизить стоимость материалов примерно до 6 долларов за киловатт-час, что примерно в 15 раз меньше, чем стоимость материалов для современных литий-ионных батарей.
Теоретическая плотность энергии батареи составляет 260 ватт-часов на килограмм, что выше, чем у современных свинцово-кислотных и проточных батарей.
Исследователи отмечают, что батареи, предназначенные для сезонного хранения, скорее всего, будут заряжаться и разряжаться всего один или два раза в год. В отличие от батарей, предназначенных для питания электромобилей, ноутбуков или других бытовых устройств, им не нужно выдерживать сотни или тысячи циклов.
«Вы можете начать представлять себе что-то вроде большой батареи на 40-футовом тягаче с прицепом, припаркованном у ветряной электростанции», — сказал соавтор Винс Спренкл, старший стратегический советник PNNL. «Аккумулятор заряжается весной, а затем грузовик едет по дороге к подстанции, где аккумулятор доступен, если он понадобится во время летней жары».
