Νοε 14, 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Δύο χρωματιστά υγρά που αναβλύζουν μέσα από σωλήνες: Έτσι μοιάζει η μπαταρία του μέλλοντος; Ο ερευνητής της Empa, David Reber, έχει βάλει σκοπό να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα τα επόμενα τέσσερα χρόνια με την υποστήριξη μιας επιχορήγησης Ambizione από το Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (SNSF). Οι λεγόμενες μπαταρίες οξειδοαναγωγικής ροής είναι γνωστές από τη δεκαετία του 1970. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, αποθηκεύουν ενέργεια όχι σε στερεά ηλεκτρόδια αλλά σε δεξαμενές που περιέχουν διαλύματα υγρών ηλεκτρολυτών. Η διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης δεν πραγματοποιείται στις ίδιες τις δεξαμενές. Αντίθετα, οι ηλεκτρολύτες αντλούνται μέσω ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Οι μπαταρίες υγρών δεν είναι πρακτικές για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές ή αυτοκίνητα. Αλλά είναι πολλά υποσχόμενα για σταθερές λύσεις αποθήκευσης. Δεδομένου ότι η ενέργεια αποθηκεύεται εκτός της πραγματικής κυψέλης, οι μπαταρίες ροής μπορούν να επωφεληθούν από μια απλή και στοχευμένη κλιμάκωση. Ένα μεγαλύτερο ηλεκτροχημικό στοιχείο κάνει τη φόρτιση και την αποφόρτιση της μπαταρίας πιο γρήγορα, οι μεγαλύτερες δεξαμενές ηλεκτρολυτών της επιτρέπουν να αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια. «Καθώς χρησιμοποιούμε περισσότερη ανανεώσιμη ενέργεια, θα χρειαστούμε αποθήκευση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα – ακόμη και σε αστικές περιοχές», λέει ο Reber. Ένα άλλο σημείο για τις μπαταρίες ροής: Εάν χρησιμοποιούνται ηλεκτρολύτες με βάση το νερό, είναι βασικά μη εύφλεκτοι, σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Οι μπαταρίες ροής διαχωρίζουν τη διαδικασία φόρτισης από την αποθήκευση ενέργειας. (Εικόνα: Empa) Ο Reber θέλει τώρα να λύσει ακριβώς αυτό το πρόβλημα στην εργασία του στο εργαστήριο Μετατροπής Υλικών για Ενέργεια της Empa – με μια ασυνήθιστη προσέγγιση. Ενώ τα περισσότερα έργα για μπαταρίες ροής επικεντρώνονται στην καλύτερη διαλυτότητα των υλικών αποθήκευσης, θέλει να αποσυνδέσει πλήρως την αποθήκευση ενέργειας από το διάλυμα ηλεκτρολύτη. «Το όραμά μου είναι να αναπτύξω ένα υβρίδιο μιας μπαταρίας ροής και μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου», λέει. Για να γίνει αυτό, η Reber θέλει να προσθέσει στερεά υλικά αποθήκευσης, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες κινητών τηλεφώνων, στη δεξαμενή της μπαταρίας ροής. «Εάν το διαλυμένο υλικό και το στερεό υλικό αποθήκευσης ταιριάζουν με ακρίβεια, μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια μεταξύ τους», εξηγεί ο Reber. «Αυτό επιτρέπει να συνδυαστεί η επεκτασιμότητα των μπαταριών ροής με την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών με στερεά υλικά αποθήκευσης».
Πυκνότητα ενέργειας σε εξωτερικούς συνεργάτες
Ωστόσο, η τεχνολογία δεν έχει πιάσει ακόμα. Ο Reber γνωρίζει το κύριο πρόβλημα: «Οι μπαταρίες ροής έχουν ενεργειακή πυκνότητα περίπου δέκα φορές χαμηλότερη από τις μπαταρίες που κατασκευάζονται από στερεά υλικά αποθήκευσης», εξηγεί. Όσο περισσότερο υλικό αποθήκευσης μπορεί να διαλυθεί στον ηλεκτρολύτη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα μιας μπαταρίας ροής. «Ωστόσο, οι υψηλές συγκεντρώσεις πυκνώνουν το διάλυμα και χρειάζεστε πολύ περισσότερη ενέργεια για να το αντλήσετε μέσω του κυττάρου», λέει ο ερευνητής.
Οι μπαταρίες ροής διαχωρίζουν τη διαδικασία φόρτισης από την αποθήκευση ενέργειας. (Εικόνα: Empa) Ο Reber θέλει τώρα να λύσει ακριβώς αυτό το πρόβλημα στην εργασία του στο εργαστήριο Μετατροπής Υλικών για Ενέργεια της Empa – με μια ασυνήθιστη προσέγγιση. Ενώ τα περισσότερα έργα για μπαταρίες ροής επικεντρώνονται στην καλύτερη διαλυτότητα των υλικών αποθήκευσης, θέλει να αποσυνδέσει πλήρως την αποθήκευση ενέργειας από το διάλυμα ηλεκτρολύτη. «Το όραμά μου είναι να αναπτύξω ένα υβρίδιο μιας μπαταρίας ροής και μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου», λέει. Για να γίνει αυτό, η Reber θέλει να προσθέσει στερεά υλικά αποθήκευσης, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες κινητών τηλεφώνων, στη δεξαμενή της μπαταρίας ροής. «Εάν το διαλυμένο υλικό και το στερεό υλικό αποθήκευσης ταιριάζουν με ακρίβεια, μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια μεταξύ τους», εξηγεί ο Reber. «Αυτό επιτρέπει να συνδυαστεί η επεκτασιμότητα των μπαταριών ροής με την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών με στερεά υλικά αποθήκευσης».
Ζητούνται: κατάλληλα υλικά
Αλλά πρώτα, ο ερευνητής πρέπει να βρει τα κατάλληλα ζεύγη υλικών που επιτρέπουν την ανταλλαγή ενέργειας, ενώ παράλληλα θα παραμένουν σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα. «Ιδανικά, μια μπαταρία οξειδοαναγωγικής ροής θα πρέπει να μπορεί να λειτουργεί για περίπου 20 χρόνια», λέει. Το αν ένα ζεύγος υλικών ταιριάζει μεταξύ τους εξαρτάται από αυτό που είναι γνωστό ως δυναμικό οξειδοαναγωγής των ουσιών: σε ποια τάση δίνουν ή δέχονται ηλεκτρόνια. «Έχω ήδη πολλά πιθανά ζευγάρια στο μυαλό μου», λέει ο Reber. Και αν ένα πολλά υποσχόμενο ζεύγος δεν ταιριάζει απόλυτα, οι δυνατότητες οξειδοαναγωγής του μπορούν να χειριστούν με ορισμένες χημικές τροποποιήσεις. Μια από τις ιδέες του Reber είναι να χρησιμοποιήσει μια χηλική ένωση ως διαλυμένο αποθηκευτικό υλικό: ένα οργανικό μόριο πολλαπλών όπλων που «τυλίγει» γύρω από ένα μεταλλικό ιόν. Ανάλογα με το πόσους βραχίονες έχει το οργανικό μόριο - ο συνδέτης -, το δυναμικό οξειδοαναγωγής αλλάζει. Ο Reber διεξήγαγε ήδη έρευνα σχετικά με μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής με βάση χηλικές ενώσεις κατά τη μεταδιδακτορική του περίοδο στο Πανεπιστήμιο του Colorado Boulder, για το οποίο θα λάβει το διάσημο Battery Division Postdoc Award στην ετήσια συνάντηση της Electrochemical Society στο Γκέτεμποργκ τον Οκτώβριο. Στο τέλος της περιόδου χρηματοδότησής του στο Ambizione των τεσσάρων ετών, ο Reber ελπίζει να έχει μια μπαταρία που λειτουργεί καλά με πρόσθετο αποθηκευτικό χώρο. «Εάν αυτή η προσέγγιση λειτουργεί, οι πιθανές εφαρμογές είναι πολύ διαφορετικές», λέει. Για παράδειγμα, συμπαγείς μπαταρίες ροής με ευέλικτο παράγοντα μορφής θα ήταν πολύ πιο εύκολο να ενσωματωθούν σε αστικές περιοχές. «Το μόνο που θα χρειαζόταν θα ήταν αντλίες και μερικοί σωλήνες», προσθέτει ο ερευνητής.- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64048.php
