Νέα του κλάδου

Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε βοηθήματα ακοής θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

2021-06-15


 

Αυτή η υπό κατασκευή εγκατάσταση αποθήκευσης ενέργειας στη νοτιοανατολική Αγγλία χρησιμοποιεί μπαταρίες ιόντων λιθίου. CHRIS RATCLIFFE/BLOOMBERG/GETTY IMAGES

Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε βοηθήματα ακοής θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Με Robert F. ServiceΕνδέχεται. 27, 2021, 10:30 π.μ

Εάν η αναγκαιότητα είναι η μητέρα της εφεύρεσης, το πιθανό κέρδος πρέπει να είναι ο πατέρας. Και τα δύο κίνητρα οδηγούν στην προσπάθεια μετατροπής των μπαταριών ψευδαργύρου από μικρές, πεταμένες κυψέλες που χρησιμοποιούνται συχνά σε ακουστικά βαρηκοΐας σε επαναφορτιζόμενα μεγαθήρια που θα μπορούσαν να συνδεθούν στο ηλεκτρικό δίκτυο, αποθηκεύοντας ηλιακή ή αιολική ενέργεια για τη νύχτα ή όταν ο άνεμος είναι ήρεμος. Με τις νεοφυείς επιχειρήσεις να πολλαπλασιάζονται και τις εργαστηριακές μελέτες να γίνονται πυκνές και γρήγορα, «οι μπαταρίες ψευδαργύρου είναι ένα πολύ καυτό πεδίο», λέει ο Chunsheng Wang, ειδικός στις μπαταρίες στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου - οι γιγάντιες εκδόσεις αυτών που βρίσκονται στα ηλεκτρικά οχήματα - είναι οι σημερινοί πρωτοπόροι για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας, αλλά τα εξαρτήματά τους μπορεί να είναι ακριβά. Οι μπαταρίες ψευδαργύρου είναι πιο εύκολες στο πορτοφόλι και στον πλανήτη - και τα εργαστηριακά πειράματα δείχνουν τώρα τρόπους να ξεπεράσουν το κύριο μειονέκτημά τους: Δεν μπορούν να επαναφορτιστούν ξανά και ξανά για δεκαετίες.

Η ανάγκη για αποθήκευση μπαταριών σε κλίμακα δικτύου αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι ποσότητες ηλιακής, αιολικής και άλλης ανανεώσιμης ενέργειας που έρχονται στο διαδίκτυο. Φέτος, ο Πρόεδρος Τζο Μπάιντεν δεσμεύτηκε να καταστήσει το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ απαλλαγμένο από άνθρακα έως το 2035. Για να εξισορροπηθούν οι μειώσεις της προσφοράς, μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές θα πρέπει να αποθηκευτεί για ώρες ή μέρες και στη συνέχεια να τροφοδοτηθεί ξανά στο δίκτυο. Μόνο στην Καλιφόρνια, η επιτροπή δημόσιων υπηρεσιών κοινής ωφέλειας προβλέπει την ανάπτυξη περισσότερων από 8800 μεγαβάτ επαναφορτιζόμενων μπαταριών έως το 2026 και την περασμένη εβδομάδα, ο κυβερνήτης της Καλιφόρνια Gavin Newsom πρότεινε 350 εκατομμύρια δολάρια σε κρατική χρηματοδότηση για την ανάπτυξη τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας μακράς διάρκειας. “Αυτή η τάση δεν θα πέσει. Θα συνεχίσει να αναπτύσσεται μόνο», λέει ο Mark Baggio, αντιπρόεδρος επιχειρηματικής ανάπτυξης στη Zinc8 Energy Solutions, μια εταιρεία παραγωγής μπαταριών ψευδαργύρου.

Για την αποθήκευση ενέργειας, «το ιόν λιθίου είναι ο γορίλας των 800 λιβρών», λέει ο Michael Burz, Διευθύνων Σύμβουλος της EnZinc, μιας εκκίνησης μπαταριών ψευδαργύρου. Αλλά το λίθιο, ένα σχετικά σπάνιο μέταλλο που εξορύσσεται μόνο σε λίγες χώρες, είναι πολύ σπάνιο και ακριβό για να υποστηρίξει τα δίκτυα κοινής ωφέλειας του κόσμου. (Είναι επίσης σε ζήτηση από τις αυτοκινητοβιομηχανίες για ηλεκτρικά οχήματα.) Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συνήθως χρησιμοποιούν επίσης έναν εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες κλίμακας μεγαβάτ πρέπει να διαθέτουν ακριβή τεχνολογία ψύξης και πυρόσβεσης. «Χρειαζόμαστε μια εναλλακτική λύση στο λίθιο», λέει η Debra Rolison, η οποία διευθύνει την προηγμένη έρευνα ηλεκτροχημικών υλικών στο Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο (NRL).

Εισάγετε τον ψευδάργυρο, ένα ασημί, μη τοξικό, φθηνό, άφθονο μέταλλο. Οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ψευδαργύρου κυκλοφορούν στην αγορά εδώ και δεκαετίες. Πιο πρόσφατα, ορισμένα επαναφορτιζόμενα με ψευδάργυρο έχουν επίσης κυκλοφορήσει στο εμπόριο, αλλά τείνουν να έχουν περιορισμένη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Μια άλλη τεχνολογία «μπαταρίες κυψέλης ροής ψευδαργύρου» κάνει επίσης βήματα προόδου. Αλλά απαιτεί πιο πολύπλοκες βαλβίδες, αντλίες και δεξαμενές για να λειτουργήσει. Έτσι, οι ερευνητές εργάζονται τώρα για να βελτιώσουν μια άλλη ποικιλία, τα κύτταρα ψευδαργύρου-αέρα.



Αλλά στις μπαταρίες ψευδαργύρου δεν αρέσει να λειτουργούν αντίστροφα. Ανωμαλίες σε όλη την επιφάνεια της ανόδου αναγκάζουν το ηλεκτρικό πεδίο να ενταθεί σε ορισμένα σημεία, γεγονός που προκαλεί την εναπόθεση ψευδάργυρου εκεί, ενισχύοντας περαιτέρω το ηλεκτρικό πεδίο. Καθώς ο κύκλος επαναλαμβάνεται, μικροσκοπικές αιχμές που ονομάζονται δενδρίτες μεγαλώνουν, τελικά τρυπώντας και βραχυκυκλώνοντας την μπαταρία. Εξίσου ενοχλητικό, το νερό στον ηλεκτρολύτη μπορεί να αντιδράσει στην άνοδο, χωρίζοντας σε οξυγόνο και αέριο υδρογόνο, το οποίο μπορεί να διασπάσει τα κύτταρα.

Οι ερευνητές έχουν αρχίσει να αντιμετωπίζουν αυτά τα μειονεκτήματα, βγάζοντας σχεδόν 1000 εργασίες ετησίως. Το 2017, για παράδειγμα, ο Rolison και οι συνεργάτες του αναφέρθηκανΕπιστήμηότι αυτοίανασχεδίασε την άνοδο ως ένα τρισδιάστατο δίκτυο μετάλλου ψευδαργύρουτσέπηδ με μικροσκοπικά κενά. Η τεράστια επιφάνεια του ηλεκτροδίου μείωσε το τοπικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο απέτρεψε τη συσσώρευση δενδριτών και μείωσε την πιθανότητα διάσπασης των μορίων του νερού. Η NRL έδωσε άδεια χρήσης της τεχνολογίας στην EnZinc.

Αυτό το μήνα, ο Wang και οι συνάδελφοί του αναφέρθηκανΝανοτεχνολογία Φύσηςότι όταν αυτοίπροστέθηκε άλας που περιέχει φθόριοστον ηλεκτρολύτη τους, αντέδρασε με ψευδάργυρο για να σχηματίσει ένα στερεό φράγμα φθοριούχου ψευδαργύρου γύρω από την άνοδο. Τα ιόντα θα μπορούσαν ακόμα να αναδιπλωθούν κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Όμως το φράγμα εμπόδιζε τους δενδρίτες να αναπτυχθούν και απώθησε τα μόρια του νερού, εμποδίζοντάς τα να φτάσουν στην άνοδο.

«Είναι μια σπουδαία εξέλιξη», λέει ο Wei Wang, ο οποίος διευθύνει την Πρωτοβουλία Energy Storage Materials Initiative στο Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού. Ωστόσο, ο Chunsheng Wang σημειώνει ότι η συσκευή του είναι κάπως αργή στην εκφόρτιση. Για να το βελτιώσει αυτό, η ομάδα του θέλει να προσθέσει καταλύτες στην κάθοδο για να επιταχύνει την αντίδραση μεταξύ οξυγόνου και νερού.

Η ίδια στρατηγική παρουσιάζεται στην εργασία των ερευνητών με επικεφαλής τον Jung-Ho Lee από το Πανεπιστήμιο Hanyang. ΣεΕνέργεια της Φύσηςστις 12 Απριλίου, ανέφερανδημιουργώντας μια ινώδη και αγώγιμη κάθοδοαπό ένα μείγμα χαλκού, φωσφόρου και θείου που χρησίμευε επίσης ως καταλύτης, επιταχύνοντας δραματικά την αντίδραση του οξυγόνου με το νερό. Αυτή και άλλες πρόοδοι παρήγαγαν μπαταρίες που μπορούσαν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν γρήγορα και είχαν υψηλή χωρητικότητα, 460 watt-h/kg (σε σύγκριση με περίπου 75 Wh/kg για τυπικές κυψέλες ψευδαργύρου με καθόδους οξειδίου του μαγγανίου και 120 Wh/kg για κλιμακούμενο λίθιο -ιονικά συστήματα). Οι μπαταρίες ήταν σταθερές για χιλιάδες κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Το αποτέλεσμα «μοιάζει με ένα άλλο σημαντικό βήμα», λέει ο Chunsheng Wang.

Τέτοιες εξελίξεις δίνουν νέα ελπίδα ότι οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα θα μπορέσουν μια μέρα να προσλάβουν λίθιο. Λόγω του χαμηλού κόστους των υλικών τους, οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα σε κλίμακα δικτύου θα μπορούσαν να κοστίζουν 100 $ ανά κιλοβατώρα, λιγότερο από το μισό κόστος των φθηνότερων εκδόσεων ιόντων λιθίου σήμερα. «Υπάρχουν πολλές υποσχέσεις εδώ», λέει ο Burz. Ωστόσο, οι ερευνητές πρέπει ακόμα να κλιμακώσουν την παραγωγή τους από μικρά κουμπιά και θήκες μεγέθους κινητού τηλεφώνου έως συστήματα μεγέθους εμπορευματοκιβωτίων αποστολής, όλα αυτά διατηρώντας την απόδοσή τους, μια διαδικασία που πιθανότατα θα διαρκέσει χρόνια. Ο Burz σημειώνει επίσης ότι οι επιχειρήσεις κοινής ωφελείας και άλλες εταιρείες που θέλουν να αγοράσουν φθηνές μπαταρίες μεγάλης κλίμακας θέλουν πρώτα να δουν σταθερή λειτουργία για χρόνια. «Αυτοί οι πελάτες πρέπει να δουν ότι λειτουργεί στο πραγματικό περιβάλλον», λέει.

 


+8613738042576
[email protected]