Исследователи смотрят на новые методы для повышения производительности батареи

Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Penn State) ищут инновационные способы улучшения хранения энергии, чтобы лучше использовать технологии возобновляемой энергии.

«Одно из основных препятствий, мешающих нам в значительной степени полагаться на возобновляемые источники энергии, заключается в том, что мы не можем контролировать, когда они обеспечивают нас энергией», - сказал Дерек Холл, доцент кафедры энергетического машиностроения из университета штата Пенсильвания. «В идеале мы хотим найти какую-то технологию хранения энергии, которая может дополнять возобновляемые источники энергии, чтобы помочь нам перейти к более устойчивой энергетической инфраструктуре».

Улучшения хранения энергии

• Улучшение химии батарей
• Преобразование отработанного тепла в энергию

Системы возобновляемой энергии, такие как ветровая и солнечная, способны производить достаточно электроэнергии для питания целых сообществ. Тем не менее, они полагаются на природные процессы для производства необходимого электричества, и природа может быть непредсказуемой. Это приводит к приливам и отливам в производстве возобновляемой электроэнергии. Временами ветер и солнечная энергия способны производить больше энергии, чем необходимо энергосистеме, что приводит к снижению цен на электроэнергию. С другой стороны, если ветер прекращается или наступает период плохой погоды, производство электроэнергии останавливается и цены стремительно растут.

Это явление вдохновило Холла начать изучение более эффективных с точки зрения затрат стратегий хранения энергии в рамках многочисленных совместных исследовательских проектов.

Улучшение химии батарей

Холл, вместе с доцентом Кристофером Горски и профессором Сергеем Львовым используют химию лигандов для улучшения электрохимических характеристик.

«Цель состоит в том, чтобы попытаться найти более дешевые материалы для изготовления батарей», - сказал Холл. «Основное препятствие, мешающее нам, заключается в том, что большинство дешевых материалов имеют малую плотность накопления энергии, что приводит к снижению производительности батареи».

Лиганды - это ионы или молекулы, которые связываются с центральным металлом. Они обычно используются в природных  процессах для изменения реакционной способности металлов, но ранее они не использовались в проточных батареях. Исследователи используют такие материалы, как медь, железо и хром, которые дешевле традиционных материалов, таких как литий, кобальт и ванадий, и соединяют их с лигандами, чтобы значительно снизить капитальные затраты, связанные с производством батарей.

Затем команда проведет эксперименты, чтобы определить, достигают ли комплексы металл-лиганд высокой плотности накопления энергии. Они будут делать это в три этапа: термодинамическое, кинетическое и полное клеточное тестирование. На каждом этапе будут проверяться различные ключевые параметры для типичной батареи окислительно-восстановительного потока. Термодинамическая фаза будет исследовать, как лиганды влияют на потенциал электрода, а затем кинетическая фаза будет проверять, какой электрический ток может быть использован. Наконец, исследователи протестируют все компоненты вместе, чтобы увидеть, как они работают в унисон.

«Многие части этой истории все еще отсутствуют, поэтому это будет в значительной степени фундаментальный исследовательский проект», - сказал Холл. «Нет единой теории, объясняющей, как лиганды влияют на электрохимические реакции».

Исследователи надеются, что этот проект обеспечит предварительные результаты, необходимые для получения более крупных грантов, направленных на разработку новых химикатов для проточных аккумуляторов, и позволит получить фундаментальное представление о том, почему и как лиганды изменяют реакционная способность комплексов металлов.

Преобразование отработанного тепла в энергию

Холл также работает с профессором Брюсом Логаном и доцентом Мэтью Рау над исследованиями, финансируемыми за счет другого гранта, который направлен на повышение производительности и возможностей выходной мощности проточных батарей, заряженных отработанным теплом, а не электричество.

«Если бы мы могли найти способ перенаправить отработанное тепло в электричество, даже если это небольшое количество по требованию, это может помочь уменьшить нашу потребность в большем производстве электроэнергии», - сказал Холл.

Как и в случае с другим проектом Холла, эта команда использует технологию проточной батареи, но с уникальным методом тепловой зарядки. Проект, озаглавленный «Повышение удельной мощности и циклической эффективности новых тепловых батарей с тепловым зарядом и использованием усовершенствованных топологий в проточной батарее», будет направлен на повышение плотности мощности с помощью отличительных схем поля расхода батареи. Они будут делать это с помощью компьютерного моделирования с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics.

«В технологии, над которой мы работаем для перезарядки используется отработанное тепло вместо электричества», - сказал Рау.

В традиционной батарее химическая реакция создает потенциал разряда, генерируя электричество. Когда происходит процесс перезарядки, необходимо использовать некоторое количество электроэнергии. Для этой новой технологии исследователи перезаряжают батарею, разделяя два химических вещества, используя отработанное тепло. Когда эти химические вещества объединяются вместе, они создают химическую реакцию, которая генерирует электричество, что устраняет необходимость использования дополнительного электричества для зарядки аккумулятора.

«Это будет технология, конкурирующая с традиционными методами накопления энергии, такими как литий-ионные аккумуляторы, но уникальная в том смысле, что она не требует электричества», - сказал Рау. «Для зарядки требуется тепло, поэтому мы, по сути, открываем новый ресурс, который потенциально может привести в действие промышленные процессы или часть электрической сети».

По словам Рау, основная идея существует примерно пять лет, но исследователи стремятся улучшить производительность базовой модели, чтобы она стала коммерчески жизнеспособной.

«Развивать эту технологию будет непросто», - сказал он. «Эти батареи пропускают электролиты через пористые электроды. Один поток жидкости достаточно сложен для моделирования, даже не принимая во внимание химические реакции".

Исследователи надеются, что предварительные эксперименты, проведенные до начала этого исследования, дали им инструменты, необходимые для успеха.

«В настоящее время мы практически не используем отходящее тепло в промышленности и производстве электроэнергии», - сказал Рау. «Оно просто выбрасывается с охлаждающей водой или уходит в атмосферу с отходящими газами. Если нам удастся использовать это отходящее тепло, мы увеличим энергетическую эффективность многих различных отраслей промышленности».

Эти проекты иллюстрируют необходимость разработки крупномасштабных технологий накопления энергии, которые хорошо сочетаются с технологиями возобновляемой энергии, сказал Холл. опубликовано econet.ru по материалам sciencenews.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet