Плыть по течению: ученые конструируют новые сетки батареи для возобновляемых источников энергии

Как вы храните возобновляемых источников энергии, так это там, когда вам это нужно, даже когда солнце не светит или ветер не дует? Гигантские аккумуляторы, предназначенные для электрических сетей … назвал расхода батареи, которые хранят электричество в цистернах жидкого электролита-может быть ответом, но до сих пор коммунальные службы пока не смогли найти экономически эффективный аккумулятор, который может надежно электроэнергии тысячи домов на протяжении всего жизненного цикла от 10 до 20 лет.

Теперь, мембранная технология батареи разработан исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Департамента энергетики США (Лаборатория Беркли) может указывать на решение.

Как сообщается в журнале Джоуля-Ленца, исследователи разработали универсальный и доступный мембраны батареи — из класса полимеров, известных как AquaPIMs. Этот класс полимеров делает долговечные и недорогие решетки батарей основывается исключительно на доступные материалы, такие как цинк, железо и вода. Команда также разработали простую модель, показывающую, как различные батареи влияет мембраны срок службы батареи, который, как ожидается, ускорить ранней стадии R&D для расхода батареи технологий, особенно в поиске подходящей мембраны для разных химий батареи.

«Наши AquaPIM мембранной технологии хорошо позиционированы, чтобы ускорить путь на рынок для расхода батареи, которые используют масштабируемую, недорогую, на водной основе химии,» сказал Бретт Хелмс, главным исследователем в Совместном центре для накопления энергии исследований (JCESR) и научный сотрудник лаборатории Беркли молекулярной литейного цеха, который возглавлял исследование. «С помощью нашей технологии и сопутствующие эмпирические модели производительности батареи и продолжительность жизни, другие исследователи сможете быстро оценить готовность каждого компонента, который входит в батареи, от мембраны до заряда-хранение материалов. Это должно сэкономить время и ресурсы для исследователей, так и разработчиков».

Большинство сетке химии батареи имеют высокую щелочность (или основной) электроды — положительно заряженный катод с одной стороны, и отрицательно заряженный анод на другой стороне. Но нынешнее состояние-оф-искусства мембраны предназначены для кислых реагентов, таких как фторированные мембраны нашли в топливных элементах, но не для щелочной батареи текут. (В химии рН-это показатель концентрации водородных ионов раствора. Чистая вода имеет рН 7 считается нейтральным. Кислые растворы имеют высокую концентрацию ионов водорода, и описаны как имеющие низкий рН, или рН ниже 7. С другой стороны, щелочные растворы имеют низкую концентрацию ионов водорода и, следовательно, имеют высокий рН, или рН выше 7. В щелочных аккумуляторах, рН может быть выше, чем 14 или 15.)

Фторированные полимерные мембраны также являются дорогостоящими. По словам Хелмса, они могут составлять до 15% до 20% от стоимости батареи, которая может работать в диапазоне от $300/кВт-час.

Один из способов снизить стоимость расхода батареи является устранение фторированных полимерных мембран в целом и придумать высокопроизводительные еще дешевле варианты, такие как AquaPIMs, сказала Миранда баран, аспирант научный сотрудник в Helms-исследовательской группы и ведущий автор исследования. Баран тоже аспирант кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли.

Возвращаясь к истокам

Хелмс и соавторы обнаружили AquaPIM технологии. что означает «водно-совместимых полимеров внутренней микропористости» — при разработке полимерных мембран в водных щелочных (или базовой) системы в рамках сотрудничества с соавтором еще-Минг Чианг, главным исследователем в JCESR и Kyocera профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте (МТИ).

С помощью этих ранних экспериментов, ученые узнали, что мембраны, модифицированные с экзотическим химическим называют «амидоксима» разрешено ионы, чтобы быстро путешествовать между анодом и катодом.

Позже, при оценке AquaPIM мембраны производительность и совместимость с различными сетки химии батареи, например, одна экспериментальной установки, использованной цинка в качестве анода и веществе на основе железа в качестве катода — исследователи обнаружили, что мембраны AquaPIM привести к весьма стабильный щелочной клетки.

Кроме того, они обнаружили, что прототипы AquaPIM сохранить целостность заряд-хранение материалов в катоде, а также в анод. Когда исследователи характеризовали оболочек в расширенный источник света лаборатории Беркли (АЛС), исследователи обнаружили, что эти характеристики являются универсальными для всех вариантов AquaPIM.

Тогда баран и его сотрудники проверили, как через мембрану AquaPIM будет выполнять с водным щелочным электролитом. В данном эксперименте было обнаружено, что в щелочных условиях, полимерсвязанные amidoximes — «стабильный» — удивительный результат, учитывая, что органические материалы, как правило, не стабильны при высоких рН.

Такая стабильность мешало мембраны AquaPIM поры от разрушения, таким образом, позволяя им оставаться проводная без каких-либо потерь в производительности с течением времени, в то время как поры коммерческого фтор-полимерные мембраны рухнул, как ожидается, в ущерб своего транспорта ионов свойства, шлемов объяснил.

Такое поведение были в дальнейшем подтверждены теоретические исследования Артем Баскин, докторской исследователь, работая с Дэвидом Прендергаст, который является исполняющий обязанности директора молекулярная Литейной лаборатории Беркли и главный исследователь в JCESR вместе с Чанге и Хелмса.

Баскин моделируемой структуры мембран AquaPIM, используя вычислительные ресурсы лаборатории Беркли Национальная энергетическая Научно-исследовательский вычислительный центр (NERSC) и обнаружили, что структура полимеров, образующих мембраны были значительно устойчивы к сложениям пор в основных условиях в щелочных электролитах.

Тест экрана для лучшей батареи

При оценке AquaPIM мембраны производительность и совместимость с различными сетки химии батареи, исследователи разработали модель, которая связана производительность батареи на выполнение различных мембран. Эта модель может предсказать продолжительность жизни и эффективность расхода батареи без необходимости сборки всего устройства. Они также показали, что подобные модели могут быть применены к другим химии батареи и их оболочек.

«Как правило, вам придется ждать несколько недель, если не месяцев, чтобы выяснить, как долго будет длиться батареи после сборки всю клетку. С помощью простой и быстрый мембраны экрана, вы могли бы сократить это до нескольких часов или дней», — сказал шлемов.

Затем исследователи планируют применить мембран AquaPIM через более широкую сферу водных химий расход батареи, из металлов и неорганики к органике и полимеров. Они также предполагали, что эти мембраны не совместимы с другими водно-щелочных цинковых аккумуляторов, включая аккумуляторы, которые можно использовать либо кислород, оксид марганца, или металл-органических каркасов в качестве катода.

Исследователи из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, Массачусетский Технологический институт и Институт итальянской техники приняли участие в исследовании.

сделать разницу: спонсорские возможности