Uobičajeni aditiv za hranu i lekove pokazao je da može povećati kapacitet i dugovečnost dizajna protočne baterije sledeće generacije u eksperimentu koji postavlja rekorde.
Istraživački tim iz Pacifičke severozapadne nacionalne laboratorije Ministarstva energetike izveštava da je protočna baterija, dizajn optimizovan za skladištenje energije u električnoj mreži, zadržala svoj kapacitet za skladištenje i oslobađanje energije više od godinu dana neprekidnog punjenja i pražnjenja.
Studija, koja je upravo objavljena u časopisu Joule, opisuje prvu upotrebu rastvorenog jednostavnog šećera nazvanog β-ciklodekstrin, derivat skroba, za povećanje dugovečnosti i kapaciteta baterije. U nizu eksperimenata, naučnici su optimizovali odnos hemikalija u sistemu dok nije postigao 60 odsto više vršne snage.
Zatim su bateriju menjali iznova i iznova više od godinu dana, zaustavljajući eksperiment samo kada je plastična cev pokvarila. Za sve to vreme, protočna baterija jedva da je izgubila svoju aktivnost da bi se napunila. Ovo je prvi laboratorijski eksperiment sa protočnim baterijama koji je prijavio više od godinu dana kontinuirane upotrebe sa minimalnim gubitkom kapaciteta.
Aditiv β-ciklodekstrin je takođe prvi koji ubrzava elektrohemijsku reakciju koja skladišti, a zatim oslobađa energiju baterije protoka, u procesu koji se naziva homogena kataliza. To znači da šećer radi svoj posao dok je rastvoren u rastvoru, a ne kao čvrsta supstanca nanesena na površinu. Istraživači pripremaju eksperimentalni protočni elektrolit baterije koji je pokazao dug životni vek u laboratorijskim uslovima. Zasluge: Sara Levine, Pacifička severozapadna nacionalna laboratorija
„Ovo je potpuno novi pristup razvoju protočnog elektrolita baterija“, rekao je Vei Vang, dugogodišnji istraživač PNNL baterija i glavni istraživač studije. „Pokazali smo da možete da koristite potpuno drugačiji tip katalizatora dizajniranog da ubrza konverziju energije. I dalje, pošto je rastvoren u tečnom elektrolitu, eliminiše mogućnost da se čvrsti materijal pomeri i zaprlja sistem.“
Kao što im ime govori, protočne baterije se sastoje od dve komore, od kojih je svaka napunjena različitom tečnošću. Baterije se pune putem elektrohemijske reakcije i skladište energiju u hemijskim vezama. Kada su povezani na spoljno kolo, oni oslobađaju tu energiju, koja može napajati električne uređaje. Protočne baterije se razlikuju od solid-state baterija po tome što imaju dva spoljna rezervoara za snabdevanje tečnosti koja konstantno cirkuliše kroz njih za snabdevanje elektrolita, što je kao „snabdevanje krvi“ za sistem. Što je veći rezervoar za dovod elektrolita, to više energije može da skladišti protočna baterija.
Ako se povećaju do veličine fudbalskog terena ili više, protočne baterije mogu poslužiti kao rezervni generatori za električnu mrežu. Protočne baterije su jedan od ključnih stubova strategije dekarbonizacije za skladištenje energije iz obnovljivih izvora energije. Njihova prednost je što se mogu graditi u bilo kojoj skali, od laboratorijske skale, kao u PNNL studiji, do veličine gradskog bloka.
Veliko skladište energije pruža neku vrstu polise osiguranja od poremećaja u našoj električnoj mreži. Kada loše vremenske prilike ili velika potražnja ometaju mogućnost snabdevanja električnom energijom domova i preduzeća, energija uskladištena u objektima velikih protočnih baterija može pomoći da se minimiziraju poremećaji ili da se ponovo uspostavi usluga. Očekuje se da će potreba za ovim objektima za protočne baterije samo rasti, jer proizvodnja električne energije sve više dolazi iz obnovljivih izvora energije, kao što su energija vjetra, sunca i hidroelektrana. Povremeni izvori energije kao što su ovi zahtevaju mesto za skladištenje energije dok ne bude potrebno da se zadovolji potražnja potrošača.
Iako postoje mnogi dizajni protočnih baterija i neke komercijalne instalacije, postojeći komercijalni objekti se oslanjaju na iskopane minerale kao što je vanadijum koji su skupi i teško ih je nabaviti. Zato istraživački timovi traže efikasne alternativne tehnologije koje koriste uobičajenije materijale koji se lako sintetišu, stabilni i netoksični.
„Ne možemo uvek da kopamo Zemlju u potrazi za novim materijalima“, rekao je Imre Gjuk, direktor istraživanja skladištenja energije u Kancelariji za električnu energiju DOE. „Moramo da razvijemo održiv pristup sa hemikalijama koje možemo sintetizovati u velikim količinama — baš kao i farmaceutska i prehrambena industrija.
Rad na protočnim baterijama je deo velikog programa u PNNL-u za razvoj i testiranje novih tehnologija za skladištenje energije u mreži koji će biti ubrzan otvaranjem PNNL-ovog Grid Storage Launchpad-a 2024. godine.
Istraživački tim PNNL-a koji je razvio ovaj novi dizajn baterije uključuje istraživače sa iskustvom u organskoj i hemijskoj sintezi. Ove veštine su bile korisne kada je tim odlučio da radi sa materijalima koji nisu korišćeni za istraživanje baterija, ali koji se već proizvode za druge industrijske namene.
„Tražili smo jednostavan način da rastvorimo više fluorenola u našem elektrolitu na bazi vode“, rekao je Ruozhu Feng, prvi autor nove studije. „β-ciklodekstrin je pomogao u tome, skromno, ali prava korist je bila ova iznenađujuća katalitička sposobnost.“
Istraživači su zatim radili sa koautorom Sharon Hammes-Schiffer sa Univerziteta Jejl, vodećim autoritetom za hemijsku reakciju koja je u osnovi katalitičkog pojačanja, kako bi objasnili kako to funkcioniše.
Kao što je opisano u istraživačkoj studiji, aditiv šećera prihvata pozitivno naelektrisane protone, što pomaže da se uravnoteži kretanje negativnih elektrona dok se baterija prazni. Detalji su malo komplikovaniji, ali to je kao da šećer zaslađuje lonac kako bi omogućio drugim hemikalijama da završe svoj hemijski ples.
Studija je sledeća generacija PNNL patentiranog dizajna protočne baterije koji je prvi put opisan u časopisu Science 2021. Tamo su istraživači pokazali da je još jedna uobičajena hemikalija, nazvana fluorenon, efikasna komponenta baterije za protok. Ali taj početni napredak je trebalo poboljšati jer je proces bio spor u poređenju sa komercijalizovanom tehnologijom protočnih baterija. Ovaj novi napredak čini dizajn baterije kandidatom za povećanje, kažu istraživači.
Istovremeno, istraživački tim radi na daljem poboljšanju sistema eksperimentisanjem sa drugim jedinjenjima koja su slična β-ciklodekstrinu, ali manja. Kao i med, dodatak β-ciklodekstrina takođe čini tečnost gušću, što je manje nego idealno za sistem koji teče. Ipak, istraživači su otkrili da su njegove prednosti nadmašile njegove nedostatke.
