Μια επαναστατική ιδέα για μπαταρίες χαμηλού κόστους

Μια επαναστατική ιδέα για μπαταρίες χαμηλού κόστους

Καθώς ο κόσμος κατασκευάζει ολοένα και μεγαλύτερες εγκαταστάσεις αιολικών και ηλιακών συστημάτων ενέργειας, η ανάγκη για οικονομικά και μεγάλης κλίμακας συστήματα αποθήκευσης ενέργειας είναι επιτακτική για την παροχή ενέργειας όταν επικρατεί συννεφιά και νηνεμία.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου εξακολουθούν να είναι πολύ ακριβές για τις περισσότερες εφαρμογές σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, ενώ άλλες επιλογές όπως η αντλία υδροηλεκτρικής ενέργειας απαιτούν συγκεκριμένη τοπογραφία εδάφους που δεν είναι πάντα διαθέσιμη.

Πρόσφατα, ερευνητές του MIT σε συνεργασία με άλλα πανεπιστήμια ανέπτυξαν ένα νέο είδος μπαταρίας, φτιαγμένο εξ ολοκλήρου από αφθόνως διαθέσιμα και φθηνά υλικά, που θα μπορούσε να βοηθήσει στην κάλυψη αυτού του κενού.

Η αρχιτεκτονική της νέας μπαταρίας, η οποία χρησιμοποιεί αλουμίνιο και θείο ως υλικά ηλεκτροδίων, με έναν ηλεκτρολύτη τηγμένου άλατος, περιγράφεται στο περιοδικό Nature, σε μια εργασία του καθηγητή του MIT Donald Sadoway, μαζί με 15 άλλους συμμετέχοντες από το το MIT, την Κίνα. τον Καναδά, το Kentucky και το Tennessee.

«Ήθελα να εφεύρω κάτι που να είναι καλύτερο, πολύ καλύτερο, από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου για σταθερή, μικρής κλίμακας αποθήκευση ενέργειας και, τελικά, για χρήσεις στην αυτοκίνηση», εξηγεί ο Sadoway. Εκτός του ότι είναι ακριβές, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν έναν εύφλεκτο ηλεκτρολύτη, γεγονός που τις καθιστά λιγότερο δύσκολες στη μεταφορά. Έτσι, ο Sadoway και η ομάδα του άρχισε να μελετά τον περιοδικό πίνακα, αναζητώντας φθηνά μέταλλα με σχετική αφθονία που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το λίθιο. Το εμπορικά κυρίαρχο μέταλλο, ο σίδηρος, δεν έχει τις σωστές ηλεκτροχημικές ιδιότητες για μια αποδοτική μπαταρία, λέει. Το δεύτερο πιο άφθονο μέταλλο στην αγορά - και στην πραγματικότητα το πιο άφθονο μέταλλο στη Γη - είναι το αλουμίνιο. «Λοιπόν, είπα, ας επιλέξουμε απλά το αλουμίνιο», λέει.

Μετά έμενε να αποφασιστεί ποιό θα ήταν το στοιχείο του δεύτερου ηλεκτροδίου και τι είδους ηλεκτρολύτης θα χρησιμοποιούνταν για τη μεταφορά των ιόντων κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση. Το φθηνότερο από όλα τα αμέταλλα είναι το θείο, οπότε μελετήθηκε ως υλικό για το δεύτερο ηλεκτρόδιο.

Τα τρία κύρια συστατικά της μπαταρίας είναι: αλουμίνιο (αριστερά), θείο (κέντρο) και κρύσταλλοι αλατιού (δεξιά). Όλα τα υλικά είναι διαθέσιμα σε αφθονία σε όλο τον πλανήτη και δεν απαιτούν περίπλοκες αλυσίδες εφοδιασμού.

Όσο για τον ηλεκτρολύτη, «δεν επρόκειτο να χρησιμοποιήσουμε τα πτητικά, εύφλεκτα οργανικά υγρά» που μερικές φορές έχουν οδηγήσει σε ανάφλεξη σε αυτοκίνητα και άλλες εφαρμογές μπαταριών ιόντων λιθίου, λέει ο Sadoway. Δοκίμασαν μερικά πολυμερή, αλλά κατέληξαν να εξετάζουν μια ομάδα τηγμένων αλάτων που έχουν σχετικά χαμηλά σημεία τήξης, κοντά στο σημείο βρασμού του νερού, σε αντίθεση με σχεδόν 1.000 βαθμούς Φαρενάιτ για πολλά άλατα. «Με τον τρόπο αυτό, οι μπαταρίες δεν απαιτούν ειδικά μέτρα μόνωσης και αντιδιαβρωτικής προστασίας», λέει.

Τα τρία συστατικά στα οποία κατέληξε η ερευνητική ομάδα είναι φθηνά και άμεσα διαθέσιμα. Το αλουμίνιο, που είναι διαθέσιμο εμπορικά σε πολλές μορφές, το θείο, το οποίο είναι συχνά απόβλητο από διεργασίες όπως η διύλιση του πετρελαίου, καθώς και ευρέως διαθέσιμα άλατα. «Τα συστατικά είναι φθηνά και η μπαταρία ασφαλής, εφόσον δεν μπορεί να αναφλεγεί», λέει ο Sadoway.

Στα πειράματά της, η ομάδα έδειξε ότι οι κυψέλες της μπαταρίας μπορούσαν να αντέξουν εκατοντάδες κύκλους με εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς φόρτισης, με προβλεπόμενο κόστος ανά κυψέλη περίπου το ένα έκτο εκείνου για τις αντίστοιχες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Έδειξαν ότι ο ρυθμός φόρτισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία εργασίας, με τους 110oC να επιδεικνύουν 25 φορές ταχύτερους ρυθμούς φόρτισης σε σύγκριση με τους 25oC.

Παραδόξως, το τηγμένο άλας που επέλεξε η ομάδα ως ηλεκτρολύτη, απλώς και μόνο λόγω του χαμηλού σημείου τήξης του, αποδείχθηκε ότι είχε ένα τυχαίο πλεονέκτημα. Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην αξιοπιστία της μπαταρίας είναι ο σχηματισμός δενδριτών, οι οποίοι είναι στενές ακίδες μετάλλου που συσσωρεύονται στο ένα ηλεκτρόδιο και τελικά μεγαλώνουν κατά μήκος για να έρθουν σε επαφή με το άλλο ηλεκτρόδιο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα και παρεμποδίζοντας την απόδοση. Αλλά αυτό το συγκεκριμένο άλας τυχαίνει να είναι πολύ καλό στην πρόληψη της εμφάνισης δενδριτών.

Το άλας χλωρίου-αργιλίου που επέλεξαν «ουσιαστικά απέτρεψε τον σχηματισμό δενδριτών, ενώ επέτρεψε επίσης πολύ γρήγορους ρυθμούς φόρτισης», λέει ο Sadoway. «Κάναμε πειράματα με πολύ υψηλούς ρυθμούς φόρτισης, φορτίζοντας σε λιγότερο από ένα λεπτό και ποτέ δεν παρατηρήσαμε αστοχία λόγω ανάπτυξης δενδριτών».

«Είναι αστείο», λέει, «γιατί όλη η εστίαση ήταν στην εύρεση ενός άλατος με το χαμηλότερο σημείο τήξης, αλλά τα άλατα στα οποία καταλήξαμε αποδείχθηκαν ιδανική λύση και για την αποτροπή βραχυκυκλώματος. Αν είχαμε ξεκινήσει με την προσπάθεια να αποτρέψουμε το βραχυκύκλωμα λόγω της παρουσίας δενδριτών, δεν είμαι σίγουρος ότι θα είχαμε φτάσει σε αυτό το άλας », λέει ο Sadoway.

Επιπλέον, η μπαταρία δεν απαιτεί εξωτερική πηγή θερμότητας για να διατηρήσει τη θερμοκρασία λειτουργίας της. Η θερμότητα παράγεται ηλεκτροχημικά με φυσικό τρόπο από τη φόρτιση και την εκφόρτιση της μπαταρίας. «Καθώς φορτίζετε, δημιουργείτε θερμότητα και αυτό εμποδίζει το άλας να στερεοποιηθεί. Και η εκφόρτιση παράγει επίσης θερμότητα», λέει ο Sadoway.

Σε μια τυπική εγκατάσταση που χρησιμοποιείται για τη στάθμιση φορτίου σε μια εγκατάσταση ηλιακής παραγωγής, για παράδειγμα, «θα αποθηκεύατε ηλεκτρισμό όταν έλαμπε ο ήλιος και μετά θα αντλούσατε ηλεκτρική ενέργεια αφού έπεφτε το σκοτάδι και αυτό θα το κάνατε κάθε μέρα. Και αυτή η εναλλαγή καταστάσεων (αδράνεια - φόρτιση - αδράνεια - εκφόρτιση) είναι αρκετή για να παράγει αρκετή θερμότητα για να διατηρείτε την μπαταρία σε θερμοκρασία λειτουργίας».

Αυτή η νέα σύνθεση μπαταριών, λέει, θα ήταν ιδανική για εγκαταστάσεις περίπου στο μέγεθος που απαιτείται για την τροφοδοσία ενός μεμονωμένου σπιτιού ή μιας μικρής έως μεσαίας επιχείρησης, παράγοντας ενέργεια της τάξης των δεκάδων κιλοβατώρων προς αποθήκευση.

Για μεγαλύτερες εγκαταστάσεις, κλίμακας από δεκάδες έως και εκατοντάδες μεγαβατώρες, άλλες τεχνολογίες μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικές, συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών υγρού μετάλλου που ανέπτυξαν ο Sadoway και οι μαθητές του πριν από αρκετά χρόνια και οι οποίες αποτέλεσαν τη βάση για μια εταιρεία spinoff που ονομάζεται Ambri, η οποία ελπίζει να παραδώσει τα πρώτα της προϊόντα εντός του επόμενου έτους. Για αυτήν την εφεύρεση, ο Sadoway τιμήθηκε πρόσφατα με το European Inventor Award 2022.

Η μικρότερη κλίμακα των μπαταριών αλουμινίου - θείου θα τις καθιστούσε επίσης πρακτικές για χρήσεις όπως σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, λέει ο Sadoway. Επισημαίνει ότι τα ηλεκτρικά οχήματα γίνονται πλέον αρκετά διαδεδομένα στους δρόμους, και σύντομα, πολλά θα απαιτούν φόρτιση ταυτόχρονα, όπως συμβαίνει σήμερα με τις αντλίες καυσίμου βενζίνης. «Αν προσπαθήσετε να το κάνετε αυτό και θέλετε γρήγορη φόρτιση, η απαιτούμενη ένταση του ρεύματος είναι απλά πολύ υψηλή και δε διαθέτουμε τα Ampere που απαιτούνται στη γραμμή που τροφοδοτεί την εγκατάσταση φόρτισης». Έτσι, η ύπαρξη ενός τέτοιου συστήματος μπαταριών για αποθήκευση ενέργειας και στη συνέχεια απελευθέρωση της γρήγορα και όταν χρειάζεται, θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη εγκατάστασης ακριβών νέων γραμμών ηλεκτρικού ρεύματος για την εξυπηρέτηση αυτών των φορτιστών.

Η νέα τεχνολογία αποτελεί ήδη τη βάση για μια νέα spinoff εταιρεία που ονομάζεται Avanti, στην οποία έχουν παραχωρηθεί τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για το νέο σύστημα μπαταρίας, η οποία ανήκει από τον Sadoway και τον Luis Ortiz, ο οποίος ήταν επίσης συνιδρυτής της Ambri. «Η πρώτη σειρά εργασιών για την εταιρεία είναι να αποδείξει ότι η τεχνολογία λειτουργεί σε μεγαλύτερη κλίμακα», λέει ο Sadoway και στη συνέχεια να την υποβάλει σε μια σειρά από δοκιμές αντοχής, συμπεριλαμβανομένης της εκτέλεσης εκατοντάδων κύκλων φόρτισης.

Μια μπαταρία με βάση το θείο θα διέτρεχε τον κίνδυνο να παράγει τις άσχημες οσμές που σχετίζονται με ορισμένες μορφές θείου; Δεν είναι πιθανό, λέει ο Sadoway. «Η άσχημη μυρωδιά προκύπτει από το αέριο υδρόθειο. Εμείς χρησιμοποιούμε στοιχειώδες θείο και πρόκειται να περιοριστεί μέσα στη μπαταρία».

Πηγή: thebrighterside.news

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
foolwo rawmathub.gr on Google News
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER