ذخیره انرژی در باطری ها با فرایند انجماد و ذوب

4 آوریل 2022 -توسط تام ریکی، Pnnl، آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام -اعتبار: CC0 دامنه عمومی

دانشمندان باتری طراحی شده ای برای شبکه برق ساخته اند که برای ماه ها انرژی را بدون از دست دادن ظرفیت ذخیره سازی زیادی حفظ می کند.

توسعه “باتری انجماد-ذوب” که انرژی خود را برای استفاده در آینده منجمد می کند، گامی به سوی باتری هایی است که می توانند برای ذخیره سازی فصلی استفاده شوند: صرفه جویی در انرژی در یک فصل، مانند بهار، و صرف آن در فصل دیگر، مانند فصل پاييز.

نمونه اولیه کوچک است و به اندازه یک توپ هاکی است. اما سودمندی بالقوه علم پشت این دستگاه بسیار زیاد است و زمانی را پیش‌بینی می‌کند که انرژی از منابع متناوب، مانند آفتاب و باد، برای مدت طولانی ذخیره شود. کار دانشمندان در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام در وزارت انرژی به صورت آنلاین در 23 مارس در Cell Reports Physical Science منتشر شد.

ایمره گیوک، مدیر ذخیره‌سازی انرژی در دفتر برق DOE که سرمایه‌گذاری این کار را تامین کرده است، گفت: «فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌تر برای افزایش انعطاف‌پذیری شبکه هنگام ترکیب مقدار زیادی از انرژی تجدیدپذیر مهم هستند. این تحقیق گام مهمی به سوی راه حل ذخیره سازی فصلی باتری است که بر محدودیت های خود تخلیه فن آوری های باتری امروزی غلبه می کند.”

مهار و بسته بندی انرژی طبیعت

منابع تجدیدپذیر با چرخه‌های طبیعت کم و زیاد می‌شوند. این امر گنجاندن آنها در یک جریان ثابت و مطمئن برق را دشوار می کند. به عنوان مثال، در شمال غربی اقیانوس آرام در بهار، رودخانه‌های پر از رواناب، سدهای برق آبی را به حداکثر می‌رسانند، درست زمانی که بادهای شدید در تنگه کلمبیا می‌وزند. تمام این نیرو باید فورا مهار شود یا حداکثر برای چند روز ذخیره شود.

اپراتورهای شبکه دوست دارند از انرژی فصل بهار استفاده کنند، آن را در باتری های بزرگ ذخیره کنند، سپس در اواخر سال زمانی که بادهای منطقه کند، رودخانه ها کم هستند و تقاضا برای برق به اوج خود می رسد، آن را آزاد کنند.

این باتری‌ها همچنین توانایی شرکت‌ها را برای مقابله با قطعی برق در طول طوفان‌های شدید افزایش می‌دهند و مقادیر زیادی انرژی را برای تغذیه به شبکه پس از طوفان، آتش‌سوزی یا بلایای دیگر در دسترس قرار می‌دهند.

نویسنده اول Minyuan “Miller” Li گفت: “این بسیار شبیه به پرورش غذا در باغ خود در بهار است، قرار دادن مواد اضافی در ظرفی در فریزر و سپس آب کردن آن برای شام در زمستان.”

باتری ابتدا با گرم کردن آن تا دمای 180 درجه سانتیگراد شارژ می شود و به یون ها اجازه می دهد از طریق الکترولیت مایع جریان پیدا کنند و انرژی شیمیایی ایجاد کنند. سپس، باتری تا دمای اتاق خنک می شود و اساسا انرژی باتری را حفظ می کند. الکترولیت جامد می شود و یون هایی که انرژی انتقال می دهند تقریباً ثابت می مانند. هنگامی که انرژی مورد نیاز است، باتری دوباره گرم می شود و انرژی جریان می یابد.پدیده یخ زدگی و ذوب شدن ممکن است زیرا الکترولیت باتری نمک مذاب است – پسرعموی مولکولی نمک خوراکی معمولی. این ماده در دماهای بالاتر مایع است اما در دمای اتاق جامد است.

مفهوم انجماد-ذوب یک مشکل آشنا برای هر کسی که اجازه داده است ماشین اش برای مدت طولانی بدون استفاده بماند را برطرف می کند: باتری که در حالت بیکار بودن خود به خود تخلیه می شود. سرعت تخلیه سریع، مانند نرخ تخلیه باتری در بیشتر خودروها یا لپ تاپ ها، باتری شبکه ای را که برای ذخیره انرژی برای ماه ها طراحی شده است، مختل می کند. قابل ذکر است که باتری انجماد-ذوب PNNL 92 درصد از ظرفیت خود را در طول 12 هفته حفظ کرده است.

به عبارت دیگر، انرژی زیاد کاهش نمی یابد. درست مثل غذا در فریزر نگهداری می شود.

این تیم از مواد کمیاب، گران قیمت و بسیار واکنش پذیر اجتناب کردند. در عوض، باتری نمک مذاب آلومینیوم نیکل مملو از مواد رایج و فراوان در زمین است. آند و کاتد به ترتیب صفحات جامد از آلومینیوم و نیکل هستند. آنها در دریایی از الکترولیت نمک مذاب غوطه ور هستند که در دمای اتاق جامد است اما وقتی گرم می شود به صورت مایع در جریان است. این تیم برای افزایش ظرفیت انرژی باتری، گوگرد – یکی دیگر از عناصر رایج و کم هزینه – را به الکترولیت اضافه کردند.

یکی از بزرگترین مزایای باتری، ترکیب بخشی به نام جداکننده است که بین آند و کاتد قرار می گیرد. اکثر باتری‌های نمک مذاب با دمای بالاتر به جداکننده سرامیکی نیاز دارند که می‌تواند گران‌تر باشد و در طول چرخه انجماد و ذوب در معرض شکستگی باشد. باتری PNNL از فایبرگلاس ساده استفاده می کند که به دلیل پایداری شیمیایی باتری امکان پذیر است. این هزینه ها را کاهش می دهد و باتری را در هنگام انجام چرخه های انجماد و ذوب قوی تر می کند.