تصميم بطارية الجيل التالي باستخدام سكر مذاب مشتق من النشا لزيادة عمر البطارية وسعة التخزين
أول تجربة لبطارية التدفق على نطاق معمل.. تدوير البطارية مرارًا وتكرارًا لأكثر من عام
أفاد فريق بحثي، أن بطارية التدفق، وهي تصميم محسّن لتخزين طاقة الشبكة الكهربائية، حافظت على قدرتها على تخزين وإطلاق الطاقة لأكثر من عام من الشحن والتفريغ المستمر.
الدراسة، التي نُشرت للتو في مجلة Joule ، توضح بالتفصيل الاستخدام الأول لسكر بسيط مذاب يسمى β-cyclodextrin ، وهو مشتق من النشا ، لزيادة عمر البطارية وسعتها، في سلسلة من التجارب، قام العلماء بتحسين نسبة المواد الكيميائية في النظام حتى وصلت إلى 60 % من طاقة الذروة.
بعد ذلك ، قاموا بتدوير البطارية مرارًا وتكرارًا لأكثر من عام ، ولم يوقفوا التجربة إلا عند فشل الأنبوب البلاستيكي. خلال كل ذلك الوقت ، فقدت بطارية التدفق بالكاد أي من نشاطها لإعادة الشحن، هذه هي أول تجربة لبطارية التدفق على نطاق معمل للإبلاغ عن أكثر من عام من الاستخدام المتواصل مع الحد الأدنى من فقدان السعة.
المضاف β-cyclodextrin هو أيضًا أول من يسرع التفاعل الكهروكيميائي الذي يخزن ثم يطلق طاقة بطارية التدفق، في عملية تسمى التحفيز المتجانس. هذا يعني أن السكر يقوم بعمله وهو يذوب في المحلول ، وليس كمادة صلبة مطبقة على السطح.
أسلوب جديد تمامًا
يعد الباحثون إلكتروليتًا تجريبيًا لبطارية التدفق أظهر عمرًا طويلاً في بيئة المختبر. الائتمان: سارة ليفين ، مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.
قال وي وانج، باحث بطارية PNNL منذ فترة طويلة والباحث الرئيسي في الدراسة: “هذا أسلوب جديد تمامًا لتطوير إلكتروليت بطارية التدفق”. “لقد أظهرنا أنه يمكنك استخدام نوع مختلف تمامًا من المحفزات المصممة لتسريع تحويل الطاقة. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يذوب في الإلكتروليت السائل ، فإنه يلغي إمكانية إزاحة النظام الصلب وإفساده.”
ما هي بطارية التدفق؟
كما يوحي اسمها ، تتكون بطاريات التدفق من غرفتين ، كل منهما مملوءة بسائل مختلف. تشحن البطاريات من خلال تفاعل كهروكيميائي وتخزن الطاقة في روابط كيميائية. عند الاتصال بدائرة خارجية ، يطلقون تلك الطاقة ، التي يمكنها تشغيل الأجهزة الكهربائية.
تختلف بطاريات التدفق عن بطاريات الحالة الصلبة في أنها تحتوي على خزانين خارجيين للسائل يدوران باستمرار من خلالهما لتزويد الإلكتروليت ، وهو ما يشبه “إمداد الدم” للنظام. كلما زاد حجم خزان إمداد الإلكتروليت ، زادت الطاقة التي يمكن لبطارية التدفق تخزينها.
إذا تم توسيع نطاقها إلى حجم ملعب كرة قدم أو أكثر ، فيمكن أن تعمل بطاريات التدفق كمولدات احتياطية للشبكة الكهربائية. تعد بطاريات التدفق إحدى الركائز الأساسية لاستراتيجية إزالة الكربون لتخزين الطاقة من موارد الطاقة المتجددة. ميزتهم هي أنه يمكن بناؤها على أي نطاق ، من مقياس البدلاء المختبر ، كما في دراسة PNNL ، إلى حجم كتلة المدينة.
لماذا نحتاج إلى أنواع جديدة من بطاريات التدفق؟
يوفر تخزين الطاقة على نطاق واسع نوعًا من بوليصة التأمين ضد تعطل شبكتنا الكهربائية. عندما يعيق الطقس القاسي أو ارتفاع الطلب القدرة على توفير الكهرباء للمنازل والشركات ، يمكن أن تساعد الطاقة المخزنة في مرافق بطاريات التدفق على نطاق واسع في تقليل الانقطاع أو استعادة الخدمة.
من المتوقع أن تزداد الحاجة إلى مرافق بطاريات التدفق هذه ، حيث يأتي توليد الكهرباء بشكل متزايد من مصادر الطاقة المتجددة ، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية. تتطلب مصادر الطاقة المتقطعة مثل هذه مكانًا لتخزين الطاقة حتى يتم الاحتياج إليها لتلبية طلب المستهلك.
في حين أن هناك العديد من تصميمات بطاريات التدفق وبعض التركيبات التجارية ، فإن المرافق التجارية القائمة تعتمد على المعادن الملغومة مثل الفاناديوم والتي تكون مكلفة ويصعب الحصول عليها. لهذا السبب تبحث فرق البحث عن تقنيات بديلة فعالة تستخدم مواد أكثر شيوعًا يسهل تصنيعها واستقرارها وغير سامة.
قال إيمري جيوك ، مدير أبحاث تخزين الطاقة في مكتب الكهرباء بوزارة الطاقة: “لا يمكننا دائمًا حفر الأرض بحثًا عن مواد جديدة”. “نحن بحاجة إلى تطوير نهج مستدام مع المواد الكيميائية التي يمكننا تصنيعها بكميات كبيرة – تمامًا مثل الصناعات الدوائية والغذائية.”
يعد العمل على بطاريات التدفق جزءًا من برنامج كبير في PNNL لتطوير واختبار تقنيات جديدة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة والتي سيتم تسريعها مع افتتاح PNNL’s Grid Storage Launchpad في عام 2024.
السكر يحلي الوعاء للحصول على بطارية تدفق فعالة
تعمل “المياه المحلاة بالسكر” على تحلية الوعاء للحصول على بطارية تدفق فعالة، ويضم فريق البحث في PNNL الذي طور هذا التصميم الجديد للبطارية باحثين ذوي خلفيات في التركيب العضوي والكيميائي.
كانت هذه المهارات مفيدة عندما اختار الفريق العمل مع المواد التي لم يتم استخدامها في أبحاث البطاريات ، ولكن تم إنتاجها بالفعل لاستخدامات صناعية أخرى.
قال Ruozhu Feng ، المؤلف الأول للدراسة الجديدة: “كنا نبحث عن طريقة بسيطة لإذابة المزيد من الفلورينول في إلكتروليتنا ذو الأساس المائي”، “سيكلوديكسترين ساعد في القيام بذلك ، بشكل متواضع ، لكن الفائدة الحقيقية كانت هذه القدرة التحفيزية المدهشة.”
عمل الباحثون بعد ذلك مع المؤلف المشارك شارون هاميس شيفر من جامعة ييل ، وهو مرجع رائد في التفاعل الكيميائي الكامن وراء التعزيز الحفاز ، لشرح كيفية عمله.
الجيل التالي من تصميم بطارية التدفق
كما هو موضح في الدراسة البحثية ، فإن مضاف السكر يقبل البروتونات الموجبة الشحنة ، مما يساعد على موازنة حركة الإلكترونات السالبة أثناء تفريغ البطارية، التفاصيل أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، لكن الأمر يشبه تحلية السكر للوعاء للسماح للمواد الكيميائية الأخرى بإكمال رقصتها الكيميائية.
الدراسة هي الجيل التالي من تصميم بطارية التدفق الحاصل على براءة اختراع PNNL والذي تم وصفه لأول مرة في مجلة Science في عام 2021 ، أظهر الباحثون أن مادة كيميائية أخرى شائعة، تسمى الفلورينون ، هي مكون فعال لبطارية التدفق .
لكن هذا الاختراق الأولي يحتاج إلى تحسين لأن العملية كانت بطيئة مقارنة بتقنية بطاريات التدفق التجاري، يقول الباحثون إن هذا التقدم الجديد يجعل تصميم البطارية مرشحًا للارتقاء.
في الوقت نفسه، يعمل فريق البحث على تحسين النظام بشكل أكبر من خلال تجربة مركبات أخرى تشبه β-cyclodextrin ولكنها أصغر. مثل العسل ، تعمل إضافة β-cyclodextrin أيضًا على جعل السائل أكثر سمكًا، وهو أقل من مثالي لنظام التدفق، وجد الباحثون أن فوائده تفوق عيوبه.
يتطلب فهم الكيمياء المعقدة التي تحدث داخل تصميم بطارية التدفق الجديد خبرة العديد من العلماء، تقدم فريق البحث بطلب للحصول على حماية براءات الاختراع الأمريكية لتصميم البطارية الجديد .
