أخبارابتكارات ومبادرات

ابتكر الباحثون بطاريات تدفق أصغر وأرخص للطاقة النظيفة

يمكن أن يحدث هذا العمل ثورة في كيفية تشغيل كل شيء من المباني التجارية الكبرى إلى المنازل السكنية

الطاقة النظيفة هي الحل الرائد لتغير المناخ، لكن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح غير متسقة في إنتاج طاقة كافية لشبكة طاقة موثوقة، بدلاً من ذلك، يمكن لبطاريات الليثيوم أيون تخزين الطاقة ولكنها مورد محدود.

قال نيان ليو، الأستاذ المساعد في معهد جورجيا للتكنولوجيا: “ميزة محطة توليد الطاقة بالفحم هي أنها ثابتة للغاية”، “إذا كان مصدر الطاقة يتقلب كما هو الحال مع الطاقة النظيفة، فإنه يجعل إدارته أكثر صعوبة، فكيف يمكننا استخدام جهاز أو نظام تخزين الطاقة للتخفيف من هذه التقلبات؟”

بطاريات التدفق

توفر بطاريات التدفق حلاً،  تتدفق الإلكتروليتات عبر الخلايا الكهروكيميائية من صهاريج التخزين في هذه البطارية القابلة لإعادة الشحن . تكلف تقنيات بطارية التدفق الحالية أكثر من 200 دولار/ كيلوواط/ ساعة وهي مكلفة للغاية بالنسبة للتطبيق العملي ، لكن مختبر ليو في كلية الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية (ChBE) طور تكوين خلية بطارية أكثر إحكاما مما يقلل من حجم الخلية عن طريق 75٪، وبالتالي يقلل حجم وتكلفة بطارية التدفق بالكامل. يمكن أن يحدث هذا العمل ثورة في كيفية تشغيل كل شيء من المباني التجارية الكبرى إلى المنازل السكنية.

نشر فريق البحث التابع لجورجيا تك النتائج التي توصلوا إليها في الورقة البحثية، “خلية بطارية تدفق ميكروتوبولار مجمعة دون مليمتر مع كثافة طاقة حجمية عالية للغاية”، في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم .

إيجاد التدفق

تحصل بطاريات التدفق على اسمها من خلية التدفق حيث يحدث التبادل الإلكتروني، يتطلب تصميمها التقليدي ، الخلية المستوية ، موزعات وحشيات تدفق ضخمة ، مما يزيد من الحجم والتكلفة ولكن يقلل من الأداء العام. الخلية نفسها باهظة الثمن أيضًا. لتقليل البصمة والتكلفة، ركز الباحثون على تحسين كثافة الطاقة الحجمية لخلية التدفق (W / L-of-cell).

لقد تحولوا إلى تكوين شائع الاستخدام في الفصل الكيميائي – غشاء أنبوب مليمتر ، مجمع أنبوبي- مصنوع من غشاء مرشح على شكل ليفية يُعرف بالألياف المجوفة. يحتوي هذا الابتكار على تصميم موفر للمساحة يمكنه تخفيف الضغط عبر الأغشية التي تمر عبرها الأيونات دون الحاجة إلى دعم بنية تحتية إضافية.

قال ريان ليفلي ، الأستاذ في ChBE: “كنا مهتمين بتأثير هندسة فاصل البطارية على أداء بطاريات التدفق”. “كنا على دراية بالمزايا التي تضفيها الألياف المجوفة على أغشية الفصل وشرعنا في تحقيق نفس المزايا في مجال البطارية”.

بتطبيق هذا المفهوم ، طور الباحثون SMBT الذي يقلل المسافة من الغشاء إلى الغشاء بحوالي 100 مرة. يعمل الغشاء الأنبوبي الدقيق في التصميم كموزع إلكتروليت في نفس الوقت دون الحاجة إلى مواد داعمة كبيرة. تخلق الأنابيب الدقيقة المجمعة مسافة أقصر بين الأقطاب الكهربائية والأغشية ، مما يزيد من كثافة الطاقة الحجمية. تصميم التجميع هذا هو الاكتشاف الرئيسي لتعظيم إمكانات بطاريات التدفق.

تشغيل البطارية

للتحقق من صحة التكوين الجديد للبطارية ، استخدم الباحثون أربعة تركيبات كيميائية مختلفة: الفاناديوم وبروميد الزنك وبروميد الكينون ويوديد الزنك. على الرغم من أن جميع أنواع الكيمياء وظيفية ، إلا أن اثنتين منها كانتا واعدة للغاية. كان الفاناديوم هو الكيمياء الأكثر نضجًا ، ولكنه أيضًا أقل سهولة ، والشكل المصغر منه غير مستقر في الهواء. ووجدوا أن يوديد الزنك كان الخيار الأكثر كثافة للطاقة ، مما يجعله الأكثر فعالية للوحدات السكنية. يقدم يوديد الزنك العديد من المزايا حتى بالمقارنة مع الليثيوم: فهو يعاني من مشكلة أقل في سلسلة التوريد ويمكن أيضًا تحويله إلى أكسيد الزنك والذوبان في الحمض ، مما يسهل إعادة تدويره.

أثبت هذا الحل الكهروكيميائي لهذا الشكل الفريد لبطارية التدفق أنه أقوى من الخلايا المستوية التقليدية.

قال Xing Xie ، الأستاذ المساعد في كلية الهندسة المدنية والبيئية: “تم إثبات الأداء المتفوق لـ SMBT أيضًا من خلال تحليل العناصر المحدودة”. “سيتم أيضًا تطبيق طريقة المحاكاة هذه في دراستنا المستقبلية لتحسين أداء الخلية وتوسيع نطاقه.”

باستخدام كيمياء يوديد الزنك ، يمكن أن تعمل البطارية لأكثر من 220 ساعة ، أو لأكثر من 2500 دورة في ظروف خارج الذروة. يمكن أيضًا أن يقلل التكلفة من 800 دولار إلى أقل من 200 دولار لكل كيلوواط ساعة باستخدام إلكتروليت معاد تدويره.

بناء مستقبل الطاقة

يعمل الباحثون بالفعل على التسويق التجاري ، مع التركيز على تطوير بطاريات بمواد كيميائية مختلفة مثل الفاناديوم وزيادة حجمها.

سيتطلب القياس التوصل إلى عملية آلية لتصنيع وحدة ألياف مجوفة ، والتي يتم إجراؤها الآن يدويًا ، باستخدام الألياف عن طريق الألياف، يأملون في نهاية المطاف في نشر البطارية في شبكة microgrid بسعة 1.4 ميجاواط في Georgia Tech ، وهو مشروع يختبر تكامل الشبكة الصغيرة في شبكة الطاقة ويوفر مختبرًا حيًا للأساتذة والطلاب.

يمكن أيضًا تطبيق خلايا SBMT على أنظمة تخزين الطاقة المختلفة مثل التحليل الكهربائي وخلايا الوقود. يمكن تقوية التكنولوجيا بمواد متقدمة وكيمياء مختلفة في تطبيقات مختلفة.

قال ليو: “هذا الابتكار يحركه التطبيق بشدة”. “لدينا حاجة للوصول إلى حياد الكربون عن طريق زيادة نسبة الطاقة المتجددة في توليد الطاقة لدينا ، وفي الوقت الحالي ، أقل من 15٪ في الولايات المتحدة يمكن لأبحاثنا تغيير هذا.”

تابعنا على تطبيق نبض

Comments

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
%d مدونون معجبون بهذه: