Inżynierowie Columbia opracowali nowe, mocniejsze „paliwo” do akumulatorów — elektrolit, który jest nie tylko trwalszy, ale także tańszy w produkcji.
Odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i słońce, są niezbędne dla przyszłości naszej planety, ale napotykają na poważną przeszkodę: nie wytwarzają energii w sposób ciągły, gdy zapotrzebowanie jest duże. Aby w pełni wykorzystać ich potencjał, potrzebujemy opłacalnych i wydajnych rozwiązań w zakresie magazynowania energii, które zapewnią dostępność energii, gdy nie ma wiatru lub nie świeci słońce.
Naukowcy zajmujący się materiałami z Columbia Engineering skupili się na opracowywaniu nowych rodzajów akumulatorów, które zmienią sposób magazynowania energii odnawialnej. W nowym badaniu opublikowanym niedawno przez Komunikacja przyrodnicza, zespół wykorzystał akumulatory K-Na/S, które łączą niedrogie, łatwo dostępne pierwiastki — potas (K) i sód (Na) wraz z siarką (S) — aby stworzyć niedrogie, wysokoenergetyczne rozwiązanie o długim czasie działania magazynowanie energii.
„Ważne jest, abyśmy mogli wydłużyć czas działania tych akumulatorów oraz abyśmy mogli je łatwo i tanio wyprodukować” – powiedział kierownik zespołu Yuan Yang, profesor nadzwyczajny nauk o materiałach i inżynierii na Wydziale Fizyki Stosowanej i Inżynierii Matematyka w Columbia Engineering. „Zwiększenie niezawodności energii odnawialnej pomoże ustabilizować nasze sieci energetyczne, zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych i wspierać bardziej zrównoważoną przyszłość energetyczną dla nas wszystkich”.
Nowy elektrolit pomaga akumulatorom K-Na/S efektywniej magazynować i uwalniać energię
Z akumulatorami K-Na/S wiążą się dwa główne wyzwania: mają one niską pojemność, ponieważ tworzenie się nieaktywnych stałych K2S2 i K2S blokuje proces dyfuzji, a ich działanie wymaga bardzo wysokich temperatur (>250 oC), które wymagają skomplikowanego zarządzania temperaturą, dlatego zwiększając koszt procesu. Poprzednie badania dotyczyły stałych osadów i małej pojemności, dlatego też poszukiwano nowej techniki udoskonalenia tego typu akumulatorów.
Grupa Yanga opracowała nowy elektrolit, rozpuszczalnik acetamidu i ε-kaprolaktamu, który pomaga akumulatorowi magazynować i uwalniać energię. Elektrolit ten może rozpuszczać K2S2 i K2S, zwiększając gęstość energii i gęstość mocy akumulatorów K/S o średniej temperaturze. Ponadto umożliwia pracę akumulatora w znacznie niższej temperaturze (około 75°C) niż poprzednie konstrukcje, przy jednoczesnym osiągnięciu niemal maksymalnej możliwej pojemności magazynowania energii.
„Nasze podejście umożliwia osiągnięcie niemal teoretycznej wydajności rozładowania i wydłużonego cyklu życia. Jest to bardzo ekscytujące w dziedzinie średniotemperaturowych akumulatorów K/S” – powiedział współautor badania, Zhenghao Yang, doktorant w Yang.
Droga do zrównoważonej przyszłości energetycznej
Grupa Yang jest powiązana z Columbia Electrochemical Energy Center (CEEC), które przyjmuje wieloskalowe podejście w celu odkrycia przełomowej technologii i przyspieszenia komercjalizacji. CEEC łączy wykładowców i badaczy z całej Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych, którzy badają energię elektrochemiczną, a ich zainteresowania obejmują elektrony, urządzenia i systemy. Partnerstwa branżowe umożliwiają realizację przełomowych rozwiązań w zakresie elektrochemicznego magazynowania i konwersji energii.
Planowanie zwiększenia skali
Chociaż zespół obecnie koncentruje się na małych bateriach wielkości monety, jego celem jest ostateczne zwiększenie skali tej technologii w celu magazynowania dużych ilości energii. Jeśli im się to uda, nowe akumulatory będą mogły zapewnić stabilne i niezawodne zasilanie ze źródeł odnawialnych nawet w okresach słabego nasłonecznienia i słabego wiatru. Zespół pracuje obecnie nad optymalizacją składu elektrolitu.
Odniesienie: „Projektowanie elektrolitów o wysokiej rozpuszczalności siarczków/disiarczków do tanich akumulatorów K-Na/S o dużej gęstości energii” autorstwa Liying Tian, Zhenghao Yang, Shiyi Yuan, Tye Milazzo, Qian Cheng, Syed Rasool, Wenrui Lei , Wenbo Li, Yucheng Yang, Tianwei Jin, Shengyu Cong, Joseph Francis Wild, Yonghua Du, Tengfei Luo, Donghui Long i Yuan Yang, 5 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51905-6
Badanie zostało sfinansowane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Inżynierię Międzyfazową i Systemy Elektrochemiczne w National Science Foundation oraz Narodowe Laboratorium w Brookhaven.
