خطوة لبطارية جديدة واعدة لتخزين الطاقة النظيفة

2019-09-11 14:13:58

قام الباحثون ببناء بطارية أكثر كفاءة وأكثر موثوقية من البوتاسيوم والأكسجين ، وهي خطوة نحو حل محتمل لتخزين الطاقة على شبكة الكهرباء في البلاد وبطاريات طويلة الأمد في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

في دراسة نشرت يوم الجمعة في مجلة Batteries and Supercaps ، قام باحثون من جامعة ولاية أوهايو بتفصيل نتائجهم التي تتمحور حول بناء كاثود البطارية ، الذي يخزن الطاقة الناتجة عن تفاعل كيميائي في بطارية الأكسجين المعدني أو بطارية الهواء المعدنية. يقول الباحثون إن هذه النتيجة يمكن أن تجعل مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والرياح خيارات أكثر قابلية للتطبيق لشبكة الطاقة من خلال تخزين طاقة أرخص وأكثر كفاءة.

قال فيشنو: "إذا كنت ترغب في الانتقال إلى خيار متجدد بالكامل لشبكة الطاقة ، فأنت بحاجة إلى أجهزة تخزين طاقة اقتصادية يمكنها تخزين الطاقة الزائدة وإعادة تلك الطاقة مرة أخرى عندما لا يكون لديك مصدر جاهز أو يعمل". بابا Sundaresan ، مؤلف مشارك للدراسة وأستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في ولاية أوهايو. "التكنولوجيا مثل هذا أمر أساسي ، لأنها رخيصة ، ولا تستخدم أي مواد غريبة ، ويمكن صنعها في أي مكان وتعزيز الاقتصاد المحلي."

لا تطلق مصادر الطاقة المتجددة ثاني أكسيد الكربون ، لذلك فهي لا تساهم في الاحترار العالمي - ولكنها توفر الطاقة فقط عندما تكون الشمس مشرقة أو تهب الرياح. من أجل أن تكون مصادر طاقة موثوقة لشبكة الطاقة في المنطقة ، يجب أن تكون هناك طريقة لتخزين الطاقة الزائدة التي تم جمعها من أشعة الشمس والرياح.

تعمل الشركات والعلماء والحكومات حول العالم على حلول التخزين ، بدءًا من بطاريات الليثيوم-أيون - إصدارات أكبر من تلك الموجودة في العديد من السيارات الكهربائية - إلى بطاريات ضخمة بحجم متجر كبير الحجم مصنوع باستخدام الفاناديوم المعدني.

كانت بطاريات البوتاسيوم والأكسجين بديلاً محتملاً لتخزين الطاقة منذ اختراعها في عام 2013. أظهر فريق من الباحثين من ولاية أوهايو ، بقيادة أستاذ الكيمياء ييينغ وو ، أن البطاريات يمكن أن تكون أكثر كفاءة من بطاريات الليثيوم والأكسجين أثناء التخزين في وقت واحد حوالي ضعف الطاقة مثل بطاريات الليثيوم أيون الموجودة. لكن بطاريات البوتاسيوم والأكسجين لم تستخدم على نطاق واسع لتخزين الطاقة لأنها ، حتى الآن ، لم تكن قادرة على إعادة شحن أوقات كافية لتكون فعالة من حيث التكلفة.

عندما حاولت الفرق إنشاء بطارية من البوتاسيوم والأكسجين يمكن أن تكون حل تخزين قابل للتطبيق ، استمروا في العمل في حواجز الطرق: البطارية تتدهور مع كل شحنة ، ولا تدوم أبدًا أكثر من خمس أو 10 دورات شحن - بعيدًا بما يكفي لجعل البطارية حل فعال من حيث التكلفة لتخزين الطاقة. حدث هذا التحلل لأن الأكسجين تسلل إلى أنود البطارية — وهو المكان الذي يسمح للإلكترونات بشحن جهاز ، سواء كان هاتفًا محمولًا أو شبكة كهرباء. تسبب الأكسجين في كسر الأنود ، مما جعله لا تستطيع البطارية نفسها توفير شحنة.

بدأ بول جيلمور ، مرشح الدكتوراه في مختبر Sundaresan ، بدمج البوليمرات في الكاثود لمعرفة ما إذا كان قادرًا على حماية الأنود من الأكسجين. كان يعتقد أنه إذا استطاع إيجاد طريقة للقيام بذلك ، فسوف يمنح بطاريات الأوكسجين البوتاسيوم فرصة حياة أطول. اتضح أنه كان على حق: أدرك الفريق أن التورم في البوليمر لعب دورًا حيويًا في أدائه. قال جيلمور إن المفتاح هو إيجاد طريقة لجلب الأكسجين إلى البطارية ـ وهو ضروري لتشغيلها ـ دون السماح للأكسجين بالتسرب إلى الأنود.

يعمل هذا التصميم إلى حد ما مثل الرئتين البشريتين: يدخل الهواء إلى البطارية من خلال طبقة كربونية ليفية ، ثم يلتقي بطبقة ثانية أقل مسامية قليلاً وتنتهي أخيرًا بطبقة ثالثة ، بالكاد يسهل اختراقها على الإطلاق. تسمح تلك الطبقة الثالثة ، المصنوعة من البوليمر الموصّل ، لأيونات البوتاسيوم بالسفر في جميع أنحاء الكاثود ، لكنها تمنع الأكسجين الجزيئي من الوصول إلى الأنود. يعني التصميم أنه يمكن شحن البطارية 125 مرة على الأقل - مما يمنح بطاريات الأوكسجين البوتاسيوم أكثر من 12 مرة طول العمر الذي كانت عليه في السابق مع الشوارد منخفضة التكلفة.

وقال سوندارسان إن النتائج تظهر أن هذا ممكن ، لكن اختبارات الفريق لم تثبت أنه يمكن تصنيع البطاريات على النطاق الضروري لتخزين شبكة الكهرباء. ومع ذلك ، فإنه يظهر إمكانات.

وقال غيلمور إن احتمال وجود بطاريات بوتاسيوم وأكسجين قد يكون مفيدًا أيضًا في تطبيقات أخرى.

وقال "بطاريات الأكسجين لديها كثافة طاقة أعلى ، مما يعني أنها يمكن أن تحسن نطاق المركبات الكهربائية وعمر البطارية للإلكترونيات المحمولة ، على سبيل المثال ، على الرغم من أنه يجب التغلب على التحديات الأخرى قبل أن تصبح بطاريات البوتاسيوم والأكسجين قابلة للتطبيق لهذه التطبيقات".

والنتيجة توفر بديلاً لبطاريات الليثيوم وأيون أخرى تعتمد على الكوبالت ، وهي مادة سميت "الماس الدموي للبطاريات". إن استخراج المواد أمر مثير للقلق لدرجة أن الشركات الكبرى ، بما في ذلك TESLA ، أعلنت عن خططها لإزالتها من البطاريات تمامًا.

وقال سوندارسان: "من المهم جدًا ألا تستخدم البطاريات المخصصة للتطبيقات واسعة النطاق الكوبالت".

ومن المهم أيضًا أن تكون البطارية رخيصة الثمن. يمكن أن تكون بطاريات الليثيوم والأكسجين - حل تخزين الطاقة المحتمل الذي يعتبر على نطاق واسع أحد الخيارات الأكثر قابلية للتطبيق - باهظة الثمن ، ويعتمد الكثير على الموارد النادرة ، بما في ذلك الكوبالت. تكلف بطاريات الليثيوم أيون التي تشغل العديد من السيارات الكهربائية حوالي 100 دولار لكل كيلوواط / ساعة على مستوى المواد.

وقدر الباحثون أن بطارية البوتاسيوم والأكسجين هذه ستكلف حوالي 44 دولارًا للكيلوواط / ساعة.

وقال سوندارسان "عندما يتعلق الأمر بالبطاريات ، فإن مقاس واحد لا يناسب الجميع". "بالنسبة لبطاريات البوتاسيوم والأكسجين والليثيوم والأكسجين ، كانت التكلفة باهظة لاستخدامها كنسخ احتياطي للطاقة على الشبكة. ولكن الآن بعد أن أظهرنا أنه يمكننا صنع بطارية بهذا الرخص وهذا مستقر ، فإنها تجعلها تتنافس مع غيرها تقنيات النسخ الاحتياطي للطاقة الشبكة.

"إذا كانت لديك بطارية صغيرة رخيصة الثمن ، فيمكنك التحدث عن توسيع نطاقها. إذا كانت لديك بطارية صغيرة بقيمة 1000 دولار أمريكي ، فإن توسيعها ليس ممكنًا. وهذا يفتح الباب لتوسيعه. "