นักวิจัยสร้างแบตเตอรี่ไหลที่มีขนาดเล็กลงและราคาถูกลงสำหรับพลังงานสะอาด

Newswise – พลังงานสะอาดเป็นทางออกชั้นนำสำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ แต่พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมนั้นไม่สอดคล้องกันในการผลิตพลังงานที่เพียงพอสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ อีกวิธีหนึ่ง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถเก็บพลังงานได้ แต่เป็นทรัพยากรที่จำกัด

“ข้อดีของโรงไฟฟ้าถ่านหินคือมีความเสถียรมาก” เขากล่าว เหนียนหลิวผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจีย “หากแหล่งจ่ายไฟผันผวนเช่นเดียวกับพลังงานสะอาด ทำให้ยากต่อการจัดการ เราจะใช้อุปกรณ์หรือระบบกักเก็บพลังงานเพื่อชดเชยความผันผวนเหล่านี้ได้อย่างไร”

แบตเตอรี่โฟลเสนอทางออก อิเล็กโทรไลต์จะไหลผ่านเซลล์ไฟฟ้าเคมีจากถังเก็บในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้นี้ เทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันมีราคาสูงกว่า 200 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง และแพงเกินไปสำหรับการใช้งานจริง แต่ห้องปฏิบัติการของ Liu โรงเรียนวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล (ChBE) ได้พัฒนาโครงแบบเซลล์โฟลว์เซลล์ที่กะทัดรัดมากขึ้น ซึ่งลดขนาดเซลล์ลง 75% และเป็นผลให้ลดขนาดและต้นทุนของโฟลว์เซลล์ทั้งหมด การศึกษานี้สามารถปฏิวัติวิธีดำเนินการทุกอย่างตั้งแต่อาคารพาณิชย์ขนาดใหญ่ไปจนถึงบ้านพักอาศัย

ทีมวิจัยของ Georgia Tech ทั้งหมดได้เผยแพร่ผลการค้นพบของพวกเขาในเอกสารนี้ “เซลล์แบตเตอรี่แบบไมโครทูบูลาร์โฟลว์เซลล์แบตเตอรี่ความหนาแน่นปริมาตรสูงพิเศษ” การดำเนินการของ National Academy of Sciences.

ค้นหาการไหล

แบตเตอรี่โฟลได้ชื่อมาจากโฟลว์เซลล์ที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน การออกแบบแบบดั้งเดิม เซลล์ระนาบ ต้องใช้ตัวกระจายการไหลและซีลขนาดใหญ่ เพิ่มขนาดและต้นทุน แต่ลดประสิทธิภาพโดยรวม ค่าเซลล์เองก็แพงเช่นกัน เพื่อลดรอยเท้าและค่าใช้จ่าย นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรของเซลล์โฟลว์ (เซลล์ W/L ของเซลล์)

พวกเขาหมุนเป็นการกำหนดค่าที่ใช้กันทั่วไปในการแยกสารเคมี – เมมเบรนขนาดไมโครทูบูลาร์ (SBMT) ที่ให้มาขนาดต่ำกว่ามิลลิเมตร – ทำจากเมมเบรนตัวกรองรูปทรงเส้นใยที่เรียกว่าเส้นใยกลวง นวัตกรรมนี้มีการออกแบบที่ประหยัดพื้นที่ซึ่งสามารถลดแรงกดบนเมมเบรนซึ่งไอออนผ่านได้โดยไม่จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานรองรับเพิ่มเติม

“เราสนใจผลกระทบของรูปทรงเรขาคณิตของตัวคั่นแบตเตอรี่ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่แบบไหลผ่าน” เขากล่าว ไรอันมีชีวิตอยู่ศาสตราจารย์แห่ง ChBE “เราตระหนักถึงข้อได้เปรียบที่เส้นใยกลวงมีให้กับเยื่อแยก และมุ่งมั่นที่จะตระหนักถึงข้อดีแบบเดียวกันนี้ในด้านแบตเตอรี่”

การนำแนวคิดนี้ไปใช้ นักวิจัยได้พัฒนา SMBT ที่ลดระยะห่างจากเมมเบรนถึงลูกเต๋าได้เกือบ 100 เท่า เมมเบรนท่อขนาดเล็กในการออกแบบยังทำหน้าที่เป็นตัวกระจายอิเล็กโทรไลต์โดยไม่ต้องใช้วัสดุรองรับขนาดใหญ่ ไมโครทิวบ์แบบรวมสร้างระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดและเมมเบรนที่สั้นลง เพิ่มความหนาแน่นของกำลังเชิงปริมาตร การออกแบบชุดรวมนี้เป็นการค้นพบที่สำคัญสำหรับการเพิ่มศักยภาพของแบตเตอรี่โฟลว์

การเปิดเครื่องแบตเตอรี่

เพื่อตรวจสอบการกำหนดค่าแบตเตอรี่ใหม่ นักวิจัยใช้สารเคมีสี่ชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ วาเนเดียม ซิงค์โบรไมด์ ควิโนนโบรไมด์ และสังกะสีไอโอไดด์ แม้ว่าสารเคมีทั้งหมดจะทำงานได้ แต่ทั้งสองอย่างมีแนวโน้มดีที่สุด วานาเดียมเป็นสารเคมีที่เจริญเต็มที่ที่สุด แต่ก็เข้าถึงได้น้อยเช่นกัน และรูปแบบที่ลดลงก็ไม่เสถียรในอากาศ พวกเขาพบว่าซิงค์ไอโอไดด์เป็นตัวเลือกที่ใช้พลังงานมากที่สุดและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับห้องชุดพักอาศัย แม้จะเปรียบเทียบกับลิเธียม สังกะสีไอโอไดด์ก็มีข้อดีหลายประการ: มีปัญหาเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทานน้อยกว่า และยังสามารถเปลี่ยนเป็นซิงค์ออกไซด์และละลายในกรดได้ ทำให้รีไซเคิลได้ง่ายกว่ามาก

สารละลายเคมีไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่โฟลว์รูปทรงพิเศษนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์ระนาบทั่วไป

“ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของ SMBT ยังแสดงให้เห็นโดยการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์” เขากล่าว ซิง ซี่ผู้ช่วยศาสตราจารย์ โรงเรียนวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม. “วิธีการจำลองนี้จะนำไปใช้ในงานในอนาคตของเราสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพและการปรับขนาดเซลล์”

ด้วยคุณสมบัติทางเคมีของซิงค์-ไอโอไดด์ แบตเตอรี่จึงสามารถทำงานได้นานกว่า 220 ชั่วโมงหรือมากถึง > 2,500 รอบในสภาวะนอกกระแสไฟสูงสุด นอกจากนี้ยังสามารถลดต้นทุนจาก 800 ดอลลาร์เหลือน้อยกว่า 200 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงโดยใช้อิเล็กโทรไลต์รีไซเคิล

สร้างอนาคตของพลังงาน

นักวิจัยกำลังดำเนินการเชิงพาณิชย์โดยมุ่งเน้นที่การพัฒนาแบตเตอรี่ที่มีสารเคมีต่างๆ เช่น วานาเดียม และเพิ่มขนาด การปรับขนาดจะต้องพัฒนากระบวนการอัตโนมัติเพื่อผลิตโมดูลเส้นใยกลวง ซึ่งตอนนี้ทำด้วยตนเองสำหรับแต่ละเส้นใย พวกเขาหวังว่าจะกระจายแบตเตอรี่ในที่สุด ไมโครกริดขนาด 1.4 เมกะวัตต์ของจอร์เจียเทค ที่ Tech Square ซึ่งเป็นโครงการที่ทดสอบการรวมไมโครกริดเข้ากับกริดไฟฟ้าและมอบห้องทดลองที่มีชีวิตสำหรับอาจารย์และนักศึกษา

เซลล์ SBMT ยังสามารถนำไปใช้กับระบบกักเก็บพลังงานต่างๆ เช่น อิเล็กโทรไลซิสและเซลล์เชื้อเพลิง เทคโนโลยีนี้สามารถใช้พลังงานจากวัสดุขั้นสูงและเคมีภัณฑ์ต่างๆ ในการใช้งานที่หลากหลาย

“นวัตกรรมนี้เน้นการใช้งานเป็นหลัก” Liu กล่าว “เราจำเป็นต้องบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนโดยการเพิ่มเปอร์เซ็นต์ของพลังงานหมุนเวียนในการผลิตพลังงานของเรา และขณะนี้ในสหรัฐอเมริกาต่ำกว่า 15% การวิจัยของเราสามารถเปลี่ยนแปลงสิ่งนั้นได้”

Yutong Wu, Fengyi Zhang, Ting Wang, Po-Wei Huang, Alexandros Filippas, Haochen Yang, Yanghang Huang, Chao Wang, Huitian Liu, Xing Xie, Ryan P. Lively, Nian Liu, “A Submilimeter Bundled Microtubular Flow Battery Cell with Ultrahigh” ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร” พนัส (2566).

ดอย: https://doi.org/10.1073/pnas.2213528120

######

Georgia Institute of Technology หรือ Georgia Tech เป็นหนึ่งในมหาวิทยาลัยวิจัยสาธารณะชั้นนำในสหรัฐอเมริกาที่พัฒนาผู้นำที่พัฒนาเทคโนโลยีและปรับปรุงสภาพของมนุษย์ สถาบันเปิดสอนหลักสูตรในสาขาธุรกิจ คอมพิวเตอร์ การออกแบบ วิศวกรรมศาสตร์ ศิลปศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ เป็นตัวแทนของ 50 รัฐและมากกว่า 150 ประเทศ นักเรียนมากกว่า 46,000 คนเรียนที่วิทยาเขตหลักในแอตแลนตา ในวิทยาเขตในฝรั่งเศสและจีน ตลอดจนการเรียนทางไกลและออนไลน์ ในฐานะมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีชั้นนำ Georgia Tech เป็นเครื่องมือในการพัฒนาเศรษฐกิจสำหรับจอร์เจีย ภูมิภาคตะวันออกเฉียงใต้และประเทศ ขับเคลื่อนการวิจัยมากกว่า 1 พันล้านดอลลาร์ต่อปีสำหรับรัฐบาล อุตสาหกรรม และสังคม