Технології

Дослідники дивляться на нові методи підвищення продуктивності батареї

Дослідники з Університету штату Пенсильванія (Pennsylvania State) шукають інноваційні способи поліпшення зберігання енергії, щоб краще використовувати технології відновлюваної енергії.

«Одна з основних перешкод, що заважають нам значною мірою покладатися на поновлювані джерела енергії, полягає в тому, що ми не можемо контролювати, коли вони забезпечують нас енергією», — сказав Дерек Хол, доцент кафедри енергетичного машинобудування з університету штату Пенсильванія. «В ідеалі ми хочемо знайти якусь технологію зберігання енергії, яка може доповнювати поновлювані джерела енергії, щоб допомогти нам перейти до більш стійкої енергетичної інфраструктури».

Поліпшення зберігання енергії

  • Поліпшення хімії батарей
  • Перетворення відпрацьованого тепла в енергію

Системи відновлюваної енергії, такі як вітрова та сонячна, здатні виробляти достатньо електроенергії для живлення цілих спільнот. Однак, вони покладаються на природні процеси для виробництва необхідної електрики, і природа може бути непередбачуваною. Це призводить до припливу і відпливу у виробництві відновлюваної електроенергії. Часом вітер та сонячна енергія здатні виробляти більше енергії, ніж необхідно енергосистемі, що призводить до зниження цін на електроенергію. З іншого боку, якщо вітер припиняється або настає період поганої погоди, виробництво електроенергії зупиняється і ціни стрімко зростають.

Це явище надихнуло Хола почати вивчення більш ефективних з точки зору витрат стратегій зберігання енергії в рамках численних спільних дослідницьких проєктів.

Поліпшення хімії батарей

Хол, разом з доцентом Крістофером Горскі і професором Сергієм Львовим використовують хімію лігандів для поліпшення електрохімічних характеристик.

«Мета полягає в тому, щоб спробувати знайти більш дешеві матеріали для виготовлення батарей», — сказав Хол. «Основна перешкода, що заважає нам, полягає в тому, що більшість дешевих матеріалів мають малу щільність накопичення енергії, що призводить до зниження продуктивності батареї».

Ліганди — це іони або молекули, що зв’язуються з центральним металом. Вони зазвичай використовуються в природних процесах для зміни реакційної здатності металів, але раніше вони не використовувалися в проточних батареях. Дослідники використовують такі матеріали, як мідь, залізо і хром, які дешевше традиційних матеріалів, таких як літій, кобальт і ванадій, і з’єднують їх з лігандами, щоб значно знизити капітальні витрати, пов’язані з виробництвом батарей.

Потім команда проведе експерименти, щоб визначити, чи досягають комплекси метал-ліганд високої щільності накопичення енергії. Вони будуть робити це в три етапи: термодинамічний, кінетичний і повне клітинне тестування. На кожному етапі будуть перевірятися різні ключові параметри для типової батареї окислювально-відновного потоку. Термодинамічна фаза буде досліджувати, як ліганди впливають на потенціал електрода, а потім кінетична фаза буде перевіряти, який електричний струм може бути використаний. Нарешті, дослідники протестують всі компоненти разом, щоб побачити, як вони працюють в унісон.

«Багато частин цієї історії все ще відсутні, тому це буде в значній мірі фундаментальний дослідницький проєкт», — сказав Хол. «Немає єдиної теорії, що пояснює, як ліганди впливають на електрохімічні реакції».

Дослідники сподіваються, що цей проєкт забезпечить попередні результати, необхідні для отримання більш великих грантів, спрямованих на розробку нових хімікатів для проточних акумуляторів, і дозволить отримати фундаментальне уявлення про те, чому і як ліганди змінюють реакційна здатність комплексів металів.

Перетворення відпрацьованого тепла в енергію

Хол також працює з професором Брюсом Логаном і доцентом Метью Рау над дослідженнями, які фінансуються завдяки іншому гранту, який спрямований на підвищення продуктивності і можливостей вихідних потужностей проточних батарей, заряджених відпрацьованим теплом, а не електрикою.

«Якщо б ми могли знайти спосіб передати відпрацьоване тепло в електрику, навіть якщо це невелика кількість це може допомогти зменшити нашу потребу в більшому виробництві електроенергії», — сказав Хол.

Як і у випадку з іншим проєктом Холу, ця команда використовує технологію проточної батареї, але з унікальним методом теплової зарядки. Проєкт на тему «Підвищення питомої потужності і циклічної ефективності нових теплових батарей з тепловим зарядом і використанням удосконалених топологій в проточній батареї», буде спрямований на підвищення щільності потужності за допомогою характерних схем поля витрати батареї. Вони будуть робити це за допомогою комп’ютерного моделювання з використанням програмного забезпечення-COMSOL Multiphysics.

«В технології, над якою ми працюємо для перезарядження використовується відпрацьоване тепло замість електрики», — сказав Рау.

У традиційній батареї хімічна реакція створює потенціал розряду, генеруючи електрику. Коли відбувається процес перезаряджання, необхідно використовувати деяку кількість електроенергії. Для цієї нової технології дослідники перезаряджають батарею, розділяючи дві хімічні речовини, використовуючи відпрацьоване тепло. Коли ці хімічні речовини об’єднуються разом, вони створюють хімічну реакцію, яка генерує електрику, що усуває необхідність використання додаткової електрики для зарядки акумулятора.

«Це буде технологія, що конкурує з традиційними методами накопичення енергії, такими як літій-іонні акумулятори, але унікальна в тому сенсі, що вона не вимагає електрики», — сказав Рау. «Для зарядки потрібно тепло, тому ми, по суті, відкриваємо новий ресурс, який потенційно може привести в дію промислові процеси або частина електричної мережі».

За словами Рау, основна ідея існує приблизно п’ять років, але дослідники прагнуть поліпшити продуктивність базової моделі, щоб вона стала комерційно життєздатною.

«Розвивати цю технологію буде непросто», — сказав він. «Ці батареї пропускають електроліти через пористі електроди. Один потік рідини досить складний для моделювання, навіть не беручи до уваги хімічні реакції».

Дослідники сподіваються, що експерименти, проведені до початку цього дослідження, дали їм інструменти, необхідні для успіху.

«В даний час ми практично не використовуємо напрацьоване тепло в промисловості і виробництві електроенергії», — сказав Рау. «Воно просто викидається з охолоджувальною водою або йде в атмосферу з газами, що відходять. Якщо нам вдасться використати це напрацьоване тепло, ми збільшимо енергетичну ефективність різних галузей промисловості».

Ці проєкти ілюструють необхідність розробки великомасштабних технологій накопичення енергії, які добре поєднуються з технологіями відновлюваної енергії, сказав Хол.

Натхнення: econet.ru

Кнопка «Наверх»
Закрыть