Поточні акумулятори досягли показників літій-іонних за щільністю зберігання енергії, Інженерний
Розробники з Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) більш ніж у 2 рази збільшили щільність зберігання енергії нових потокових акумуляторів у порівнянні з розробленими раніше. Новий акумулятор від PNNL обіцяє стати масовим в автономних джерелах електропостачання, а також в електропоїздах та електромобілях, у міських системах мережного зберігання електроенергії, особливо в обмежених умовах.
В акумуляторах використовують цинк-йодидний електроліт. Показник щільності зберігання енергії наблизився до літій-іонних акумуляторів, але при цьому потокові акумулятори мають кращу протипожежну безпеку.
Історія становлення
Літій-іонні та потокові акумулятори були винайдені в 1970-х роках, але через більшу щільність та простоту конструкції літій-іонні акумулятори стали більш популярними. Спочатку літій-іонні акумулятори почали використовуватись у портативній техніці. Пізніше їх використовували для зберігання зростаючих обсягів відновлюваних джерел енергії, що виробляється на вітряних та сонячних установках.
Як і в інших потокових акумуляторах, енергія зберігається у двох зовнішніх резервуарах, що дозволяє легко збільшити ємність батареї (Зображення: PNNL)
Але високі щільності зберігання енергії літій-іонних акумуляторів роблять їх схильними до перегріву та займання. Поточні батареї навпаки, зберігають свої активні хімічні речовини окремо, що значно покращує безпеку. Ця особливість знову привернула увагу дослідників до потокових акумуляторів.
Конструкція
Як і інші потокові акумулятори, цинк-йодидні виробляє енергію закачуючи рідини із зовнішніхрезервуарів у реакторну комірку, де рідини змішуються. Зовнішні ємності нового акумулятора PNNL містять водні електроліти, водні розчини з розчиненими хімічними речовинами, що зберігають хімічну енергію.
Коли батарея повністю розряджена, обидві ємності містять один і той же розчин електроліту: суміш з позитивно заряджених іонів цинку, Zn 2+ і негативно заряджених іонів йодиду, I - . Але коли акумулятор заряджений, одна з ємностей містить негативний іон, полі-йодид, I 3-. Коли необхідно отримати електроенергію, дві рідини закачують у центральний осередок. Усередині комірки іони цинку проходять через мембрану і перетворюються на металевий цинк на негативному боці комірки. Цей процес перетворює енергію, яка хімічно зберігається в електроліті електроенергію.
Для перевірки можливості їх нової концепції, дослідники PNNL створили акумулятор на лабораторному столі. Вони змішують розчини електролітів, чорний цинк-полі-йодидний електроліт і прозорий цинк-йодид, подаючи їх із двох скляних флаконів, як із мініатюрних баків. Шланги з'єднували між собою флакони, насос і невелику комірку.
Вони поклали 12-Вт-год ємність акумулятора - порівнянний близько двох iPhone батареї - через низку випробувань, у тому числі визначення того, як різні концентрації цинку та йодистого в сховищі енергії електроліту впливає. Електрична потужність вимірюється в кіловат-годин; електромобілі користуються близько 350 ват-годин, щоб проїхати одну милю в місті.
Нові можливості
Демонстраційна версія акумулятора зберегла набагато більше енергії для свого об'єму, ніж поточні акумулятори, що найчастіше використовуються сьогодні: цинк-метиловий і ванадієві батареї. Цинк-полі-йодидні акумулятори PNNL також маливихід енергії близько 70%, від показників літій-іонних та літій-фосфат-залізних акумуляторів.
Лабораторні тести показали, що демонстраційна батарея зберігає 167 ват-годин на літр електроліту. Для порівняння, потокові цинк-бромідні акумулятори генерують близько 70 ват-годин на літр, ванадієві акумулятори можуть створити 15 - 25 ват-годин на літр, а стандартні літій-фосфат-залізні акумулятори близько 233 ват. Теоретично, дослідники вважають, що їх новий акумулятор може зберігати навіть до 322 Вт-годин на літр, якщо розчинити ще більше хімічних речовин в електроліті.
Безпечний та універсальний, але ще не ідеальний
Цинк-полійодний акумулятор PNNL є безпечним, т.к. його електроліт не кислота, як більшість інших потокових акумуляторів. Майже неймовірно спалах електроліту на водній основі, він не вимагає дорогих матеріалів, що витримують сильний корозійний вплив, як в інших потокових акумуляторах.
Ще однією перевагою акумуляторів PNNL є те, що вони можуть працювати в екстремальних кліматичних умовах. Електроліт дозволяє добре працювати при температурі від -20 ºС до 50 ºС. Багато батарей мають набагато менше температурне вікно і можуть вимагати вбудованих систем підігріву та охолодження.
Одна з проблем, з якими зіткнулися дослідники, це наростання металевого цинку на негативному електроді комірки, роблячи акумулятор менш ефективним. Дослідники зменшують наростання, які називають дендритами цинку, шляхом додавання спирту до розчину електроліту.
Управління процесом утворення цинку дендритів буде ключовим для широкого впровадження цинк-полі-йодидних акумуляторів PNNL в реальному світі.