تصميم بطارية الصوديوم والالومنيوم يسهل دمج الطاقة المتجددة بالشبكة الكهربائية بتكلفة أقل

يمكن أن يساعد تصميم بطارية جديد في تسهيل دمج الطاقة المتجددة في الشبكة الكهربائية بتكلفة أقل، باستخدام معادن وفيرة في الأرض ، وفقًا لدراسة نُشرت مؤخرًا في Energy Storage Materials .

أظهر فريق بحثي، بقيادة المختبر الوطني شمال غرب المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة، أن التصميم الجديد لبطارية تخزين طاقة شبكية مبنية من معادن منخفضة التكلفة مثل الصوديوم والألومنيوم يوفر مسارًا نحو نظام تخزين طاقة ثابت أكثر أمانًا وقابلية للتوسع.

قال جيو شنج لي، عالم المواد: “لقد أظهرنا أن تصميم بطارية الملح المصهور الجديد هذا لديه القدرة على الشحن والتفريغ بشكل أسرع بكثير من بطاريات الصوديوم التقليدية ذات درجة الحرارة العالية ، والعمل في درجة حرارة منخفضة، والحفاظ على قدرة تخزين طاقة ممتازة”، في PNNL والباحث الرئيسي في البحث، “نحصل على أداء مشابه مع هذه الكيمياء الجديدة القائمة على الصوديوم عند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية من تقنيات بطاريات الصوديوم عالية الحرارة المتاحة تجاريًا، مع استخدام مادة أكثر وفرة في الأرض.”

تسليم المزيد من تخزين الطاقة

أشار إيمري جيوك، مدير مكتب الكهرباء، وبرنامج تخزين الطاقة بوزارة الطاقة، والذي دعم هذا البحث، إلى أن ” تقنية البطاريات هذه، التي تم إنشاؤها باستخدام مواد منخفضة التكلفة ومتاحة محليًا ، تقربنا خطوة أخرى نحو تحقيق أهداف الطاقة النظيفة لبلدنا”.

يمكن لبطارية متصلة بالشبكة، تظهر هنا تجمع الطاقة من مصادر متجددة ، أن تغذي طاقتها للشبكة الكهربائية عند الطلب من خلال تقنية الشبكة الذكية.

تستخدم بطارية الملح المصهور القائمة على الصوديوم تفاعلين متميزين، أبلغ الفريق سابقًا عن تفاعل ملح منصهر محايد، يُظهر الاكتشاف الجديد أن هذا الملح المنصهر المحايد يمكن أن يخضع لتفاعل إضافي في ملح حامضي منصهر، بشكل حاسم، تزيد آلية التفاعل الحمضي الثانية من قدرة البطارية.

على وجه التحديد ، بعد 345 دورة شحن/ تفريغ بالتيار العالي، احتفظت آلية التفاعل الحمضي هذه بنسبة 82.8% من سعة الشحن القصوى.

كثافة الطاقة

تسمى الطاقة التي يمكن أن توفرها البطارية في عملية التفريغ كثافة الطاقة المحددة لها، والتي يتم التعبير عنها بـ “واط/ ساعة لكل كيلوجرام” (Wh /kg) على الرغم من أن البطارية في مرحلة مبكرة أو اختبار “خلية العملة”، يتوقع الباحثون أنها قد تؤدي إلى كثافة طاقة عملية تصل إلى 100 واط/ كجم.

بالمقارنة، تبلغ كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في الإلكترونيات التجارية والسيارات الكهربائية حوالي 170-250 واط / كجم، يتميز التصميم الجديد لبطارية الصوديوم والألمنيوم بكونه غير مكلف وسهل الإنتاج في الولايات المتحدة من مواد أكثر وفرة.

وأضاف لي: “مع التحسين، نتوقع أن تصل كثافة الطاقة المحددة ودورة الحياة إلى أعلى وأطول”.

تظهر بطارية الصوديوم قوتها

تعاون علماء PNNL مع زملائهم في شركة Nexceris في مجال الطاقة المتجددة ومقرها الولايات المتحدة لتجميع واختبار البطارية، قامت الشركة، من خلال أعمالها بتزويد PNNL بإلكتروليت ذو الحالة الصلبة والحاصل على براءة اختراع قائم على الصوديوم لاختبار أداء البطارية، يسمح مكون البطارية الحاسم لأيونات الصوديوم بالانتقال من الجانب السالب (الأنود) إلى الجانب الموجب (الكاثود) للبطارية أثناء شحنها.

أنظمة تخزين الطاقة

قال فينس سبرينكل، خبير تكنولوجيا البطاريات في PNNL مع أكثر من 30 تصميمًا حاصلًا على براءة اختراع لـ أنظمة تخزين الطاقة والتكنولوجيا المرتبطة بها، “هذه نقطة جيدة حيث يمكننا البدء في التفكير في دمج مستويات أعلى من مصادر الطاقة المتجددة في الشبكة الكهربائية لتوفير مرونة حقيقية للشبكة من الموارد المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.”

كان سبرينكل جزءًا من الفريق الذي طور التصميم المرن الجديد لهذه البطارية، والذي قام أيضًا بتحويل البطارية من شكل أنبوبي تقليدي إلى شكل مسطح وقابل للتطوير يمكن تكديسه وتوسيعه بسهولة أكبر مع تطور التكنولوجيا من بطاريات بحجم العملة المعدنية إلى بطاريات أكبر، حجم مظاهرة على نطاق الشبكة.

زيادة سعة الخلية

والأهم من ذلك أن تصميم الخلية المسطحة هذا يسمح بزيادة سعة الخلية ببساطة عن طريق استخدام كاثود أكثر سمكًا، والذي استفاد منه الباحثون في هذا العمل لإثبات وجود خلية ثلاثية السعة مع تفريغ مستمر لمدة 28.2 ساعة في ظروف المختبر.

تعد معظم تقنيات البطاريات الحالية، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون مناسبة تمامًا لتخزين الطاقة على المدى القصير، لتلبية الطلب على أكثر من 10 ساعات من تخزين الطاقة، سيتطلب تطوير مفاهيم بطاريات جديدة منخفضة التكلفة وآمنة وطويلة الأمد تتجاوز أحدث تقنيات البطاريات الحالية، يقدم هذا البحث عرضًا معمليًا واعدًا لتحقيق هذا الهدف.

تباين في موضوع مرونة الشبكة

أدت القدرة على تخزين الطاقة المولدة من الطاقة المتجددة وإطلاقها عند الطلب إلى الشبكة الكهربائية إلى تحقيق تقدم سريع في تكنولوجيا البطاريات، مع العديد من التصاميم الجديدة التي تتنافس على الاهتمام والعملاء، يجب أن يلبي كل شكل جديد متطلبات استخدامه المتخصص الخاص به. بعض البطاريات، مثل تلك التي تحتوي على تصميم بطارية PNNL للتجميد والذوبان، قادرة على تخزين الطاقة المولدة موسمياً لشهور في كل مرة.

التصميم الجديد بارع بشكل خاص في تخزين طاقة الشبكة

بالمقارنة مع بطارية موسمية، فإن هذا التصميم الجديد بارع بشكل خاص في تخزين طاقة الشبكة على المدى القصير إلى المتوسط على مدى 12 إلى 24 ساعة، ونوع مختلف مما يسمى بطارية هاليد معدن الصوديوم، وقد ثبت أن تصميمًا مشابهًا يستخدم كاثود النيكل كجزء من النظام فعال على المستوى التجاري وهو متاح بالفعل تجاريًا.

قال لي: “لقد ألغينا الحاجة إلى النيكل، وهو عنصر نادر ومكلف نسبيًا، دون التضحية بأداء البطارية”، “ميزة أخرى لاستخدام الألومنيوم على النيكل هي أن كاثود الألومنيوم يشحن بسرعة أكبر ، وهو أمر بالغ الأهمية لتمكين مدة التفريغ الأطول الموضحة في هذا العمل.”

مع الوصول إلى هذا الإنجاز، يركز الفريق على مزيد من التحسينات لزيادة مدة التفريغ، مما قد يحسن بشكل كبير مرونة الشبكة من أجل دمج أكبر لمصادر الطاقة المتجددة.

قال ديفيد ريد، خبير بطاريات PNNL ومؤلف مشارك في الدراسة، إنه نظرًا لأنه يعمل عند درجة حرارة منخفضة، يمكن تصنيعه باستخدام مواد بطارية غير مكلفة، بدلاً من طلب مكونات وعمليات أكثر تعقيدًا وباهظة الثمن كما هو الحال في بطاريات الصوديوم التقليدية عالية الحرارة.

المزيد من تخزين طاقة الشبكة بتكلفة أقل

قال سبرينكل إنه في عام 2023 ، فإن أحدث ما توصل إليه تخزين الطاقة الشبكية باستخدام بطاريات الليثيوم أيون هو حوالي أربع ساعات من سعة تخزين الطاقة. وأضاف “هذا النظام الجديد يمكن أن يزيد بشكل كبير من كمية الطاقة المخزنة إذا تمكنا من الوصول إلى أهداف التكلفة المتوقعة للمواد والتصنيع”.

كجزء من الدراسة ، قدر الباحثون أن تصميم بطارية الصوديوم والألمنيوم على أساس المواد الخام الرخيصة يمكن أن يكلف 7.02 دولارًا فقط لكل كيلوواط ساعة للمواد الفعالة.

من خلال التحسين وزيادة كثافة الطاقة العملية، فإنهم يتوقعون أن هذه التكلفة يمكن تخفيضها بشكل أكبر. يمكن لتقنية التخزين الواعدة منخفضة التكلفة على نطاق الشبكة أن تمكن مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية من المساهمة بشكل ديناميكي في الشبكة الكهربائية للبلاد.

يتعاون نيل كيدنر، وهو مؤلف مشارك في الدراسة ورئيس شركة Adena Power ، وهي شركة تصنيع بطاريات صوديوم صلبة، مع PNNL لتطوير تكنولوجيا البطاريات القائمة على الصوديوم.

وقال كيدنر: “يوضح هذا البحث أن إلكتروليت الصوديوم الخاص بنا لا يعمل فقط مع تقنيتنا الحاصلة على براءة اختراع ولكن أيضًا مع تصميم بطارية الصوديوم والألمنيوم”، “نتطلع إلى مواصلة شراكتنا مع فريق أبحاث PNNL من أجل تطوير تكنولوجيا بطاريات الصوديوم.”