Photo credit: GabrielleMerk. Wikimedia.org (larawan #46)

Ang isang bagong water-based na baterya ay maaaring magbigay ng isang murang paraan upang mag-imbak ng hangin o solar na enerhiya para sa ibang pagkakataon, sinasabi ng mga mananaliksik.

Ang baterya ay nag-iimbak ng enerhiya na nabuo kapag ang araw ay nagniningning at ang hangin ay humihinga upang maibalik ito sa kuryente at maibabahagi muli kapag mataas ang demand.

Ang prototype mangganeso-hydrogen battery, na iniulat sa Nature Energy, nakatayo lamang tatlong pulgada ang taas at bumubuo ng isang lamang 20 milliwatt oras ng koryente, na kung saan ay pareho sa mga antas ng enerhiya ng mga LED flashlight na hang sa isang singsing na susi.

Sa kabila napakaunti output ng prototype, ang mga mananaliksik ay tiwala maaari silang scale up ito table-top na teknolohiya sa isang pang-industriya-grade system na maaaring singilin at recharge hanggang sa 10,000 beses, ang paglikha ng isang grid-scale baterya na may isang kapaki-pakinabang na habang-buhay na rin lampas sa isang dekada.

Yi Cui, isang propesor ng mga materyales science sa Stanford University at senior may-akda ng papel, sabi ni mangganeso-haydrodyen baterya teknolohiya ay maaaring maging isa sa mga nawawalang mga piraso sa bansa ng enerhiya palaisipan-isang paraan upang mag-imbak mahuhulaan hangin o solar enerhiya sa gayon ay upang mabawasan ang pangangailangan na sumunog sa maaasahang ngunit fossil fuels na nagbibigay ng carbon kapag hindi available ang mga mapagkukunang nababagong.

"Ano ang aming nagawa ay itinapon sa isang espesyal na asin sa tubig, bumaba sa isang elektrod, at lumikha ng isang nababaligtad reaksyon ng kemikal na nag-iimbak electron sa anyo ng hydrogen gas," sabi ni Cui.

Matalino kimika

Si Wei Chen, isang postdoctoral scholar sa Cui's lab, ang namuno sa team na pinangarap ang konsepto at itinayo ang prototype. Sa diwa, ang mga mananaliksik ay nanunuluyan ng isang baligtad na elektron na palitan sa pagitan ng tubig at mangganeso na sulpate, isang murang, likas na pang-industriyang asin na ginagamit upang gumawa ng dry cell na mga baterya, abono, papel, at iba pang mga produkto.

Upang gayahin kung paano ang hangin o solar mapagkukunan ay maaaring feed kapangyarihan sa baterya, ang mga mananaliksik kalakip ng isang pinagmulan ng kapangyarihan sa prototype. Ang mga electron na dumadaloy sa reacted sa manganese sulpate dissolved sa tubig upang mag-iwan ng mga particle ng mangganeso dioxide clinging sa electrodes. Ang sobrang mga electron ay bubbled off bilang haydrodyen gas, pag-iimbak ng enerhiya na iyon para magamit sa hinaharap.

Alam ng mga inhinyero kung paano muling likhain ang kuryente mula sa enerhiya na naka-imbak sa haydrodyen gas kaya ang mahalagang susunod na hakbang ay upang patunayan na maaari nilang muling magkarga ang water-based na baterya.

Ang mga mananaliksik ginawa ito sa pamamagitan ng muling-attach ang kanilang kapangyarihan pinagmulan upang ang maubos prototype, oras na ito na may layunin ng pampalaglag ang mangganeso dioxide particle clinging sa elektrod upang pagsamahin na may tubig, replenishing ang mangganeso sulpate asin. Sa sandaling ipinanumbalik ng prosesong ito ang asin, ang mga papasok na mga electron ay naging sobra, at ang labis na kapangyarihan ay maaaring bubble off bilang haydrodyen gas, sa isang paraan na maaaring paulit-ulit na muli at muli at muli.

Tinatantya ni Cui na, kung ang inaasahang habang-buhay na baterya na nakabatay sa tubig, nagkakahalaga ng isang matipid upang mag-imbak ng sapat na kuryente upang makapag-kapangyarihan ng isang 100-watt na lightbulb para sa labindalawang oras.

"Naniniwala kami na ang prototype na teknolohiya ay magagawang upang matugunan ang mga layunin ng Kagawaran ng Enerhiya para sa utility-scale electrical imbakan pagiging praktiko," sabi ni Cui.

Ang Department of Energy (DOE) ay inirerekomenda baterya para sa grid-scale na imbakan ay dapat mag-imbak at pagkatapos ay mag-ibis ng hindi bababa sa 20 kilowatts ng kapangyarihan sa loob ng isang oras, kaya ng hindi bababa sa 5,000 recharges, at magkaroon ng isang kapaki-pakinabang na habang-buhay ng 10 taon o higit pa. Upang gawin itong praktikal, ang isang sistema ng baterya ay dapat na nagkakahalaga ng $ 2,000 o mas mababa, o $ 100 bawat kilowatt hour.

Ang dating kalihim ng DOE at Nobel laureate na si Steven Chu, na ngayon ay isang propesor sa Stanford, ay may matagal na interes sa paghimok ng mga teknolohiya upang matulungan ang paglipat ng bansa sa renewable energy.

"Habang ang mga tiyak na mga materyales at disenyo kailangan pa rin na pag-unlad, ito prototype ay nagpapakita ng uri ng agham at engineering na magmungkahi ng mga bagong paraan upang makamit ang mababang-gastos, pang-walang pagkupas, utility-scale mga baterya," sabi ni Chu, na naging miyembro ng koponan ng pananaliksik.

Pinapatakbo ang grid

Ayon sa pagtatantya ng DOE, ang tungkol sa 70 porsiyento ng kuryente ng US ay binuo ng mga karbon o natural gas na mga halaman, na kung saan ay tumutukoy sa 40 porsyento ng mga carbon dioxide emissions. Ang paglipat sa hangin at solar generation ay isang paraan upang mabawasan ang mga emissions. Ngunit lumilikha ito ng mga bagong hamon na kinasasangkutan ng pagkakaiba-iba ng suplay ng kuryente. Karamihan sa mga malinaw, ang araw ay kumikislap lamang sa araw at, kung minsan, ang hangin ay hindi pumutok.

Ngunit ang isa pang hindi gaanong maintindihan ngunit mahalagang anyo ng pagkakaiba-iba ay nagmumula sa mga sugpong ng demand sa grid-na network ng mga wiring na may mataas na pag-igting na nagpapamahagi ng koryente sa mga rehiyon at sa huli sa mga tahanan. Sa isang mainit na araw, kapag ang mga tao ay umuwi mula sa trabaho at mag-crank up ang air conditioning, ang mga kagamitan ay dapat magkaroon ng load-balancing estratehiya upang matugunan ang peak demand: ilang paraan upang mapalakas ang generation ng kuryente sa loob ng ilang minuto upang maiwasan ang brownout o blackout na maaaring magdulot ng down grid .

Ngayon, ang mga kagamitan ay madalas na maisagawa ito sa pamamagitan ng pagpapaputok ng on-demand o "dispatchable" na mga power plant na maaaring namamalagi ng marami sa buong araw ngunit maaaring dumating sa online sa loob ng ilang minuto-paggawa ng mabilis na enerhiya ngunit pagpapalakas ng carbon emissions. Ang ilang mga kagamitan ay nakabuo ng pang-matagalang load balancing na hindi umaasa sa fossil-fuel burning plants.

Ang pinaka-karaniwan at cost-effective na diskarte na ito ay pumped hydroelectric imbakan: gamit ang labis na kapangyarihan upang magpadala ng tubig pataas, pagkatapos ay ipaalam ito daloy pabalik pababa upang makabuo ng enerhiya sa panahon ng peak demand. Gayunpaman, gumagana lamang ang imbakan ng hydroelectric sa mga rehiyon na may sapat na tubig at espasyo. Kaya upang maging mas kapaki-pakinabang ang hangin at solar, hinikayat ng DOE ang mga high-capacity na baterya bilang isang alternatibo.

Matalo ang kumpetisyon

Sinabi ni Cui na may ilang mga uri ng mga baterya ng rechargeable na baterya sa merkado, ngunit hindi malinaw kung aling mga pamamaraan ang tutugon sa mga iniaatas ng DOE at patunayan ang pagiging praktiko nito sa mga utility, regulator, at iba pang mga stakeholder na nagpapanatili ng electrical grid ng bansa.

Halimbawa, sinasabi ni Cui na ang mga rechargeable lithium ion na baterya, na nag-iimbak ng maliit na halaga ng enerhiya na kinakailangan upang patakbuhin ang mga telepono at mga laptop, ay batay sa mga bihirang materyal at kaya masyadong magastos upang mag-imbak ng kapangyarihan para sa isang kapitbahayan o lungsod. Sinabi ni Cui na nangangailangan ng imbakan ng grid-scale ang isang mababang gastos, high-capacity, rechargeable na baterya. Ang proseso ng mangganeso-hydrogen ay tila promising.

"Ang iba pang mga teknolohiya ng rechargeable baterya ay madali nang higit sa limang beses ng gastos na iyon sa panahon ng buhay," dagdag ni Cui.

Sinabi ni Chen na ang nobelang kimika, mga materyales na may mababang halaga at kamag-anak na kadali ang gumawa ng mangganeso-haydrohenong baterya na perpekto para sa mababang gastos na pag-deploy ng grid.

Ang prototype ay nangangailangan ng gawaing pag-unlad upang patunayan ang sarili nito. Para sa isang bagay, gumagamit ito ng platinum bilang isang katalista upang mag-udyok ng mga kritikal na reaksiyong kemikal sa elektrod na nagpapabuti sa proseso ng pag-recharge, at ang gastos ng sangkap na ito ay humahadlang para sa malakihang deployment. Subalit sinabi ni Chen na ang koponan ay nagtatrabaho na sa mas mura na paraan upang makagawa ng manganese sulfate at tubig upang maisagawa ang baligtad na elektron.

"Nakilala namin ang mga catalyst na maaaring magdala sa amin sa ibaba ng target na $ 100-per-kilowat-oras na DOE," sabi niya.

Ang mga mananaliksik ay nag-uulat ng paggawa ng 10,000 recharges ng mga prototypes, na kung saan ay dalawang beses ang mga kinakailangan ng DOE, ngunit sinasabi ito ay kinakailangan upang subukan ang mangganeso-hydrogen baterya sa ilalim ng aktwal na koryente imbakan kundisyon kondisyon upang tunay na tasahin ang pagganap ng buhay at gastos.

Sinabi ni Cui na sinikap niyang patentuhin ang proseso sa pamamagitan ng Stanford Office of Technology Licensing at mga plano upang bumuo ng isang kumpanya upang gawing kalakal ang sistema.

Tungkol sa May-akda

Si Yi Cui, isang propesor ng mga materyales sa agham sa Stanford University, ay ang senior author ng papel. Ang mga karagdagang coauthors ay mula sa Chinese Academy of Sciences at Stanford. Pinondohan ng Department of Energy ang pananaliksik.

Source: Stanford University

Mga Kaugnay Books

at InnerSelf Market at Amazon