مجموعات تصميم بطاريات الجيل الجديد
بطاريات الجيل الجديد : تلعب مادة السكر المضافة دورًا مفاجئًا ، حيث تعزز سعة بطارية التدفق وطول العمر لتصميم مرونة طاقة الشبكة.
أظهرت مادة مضافة شائعة للأغذية والأدوية أنها يمكن أن تعزز قدرة واستمرارية تصميم بطارية الجيل التالي في تجربة لتسجيل الأرقام القياسية.
بطاريات الجيل الجديد
أفاد فريق بحثي من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة أن بطارية التدفق ، وهي تصميم مُحسَّن لتخزين طاقة الشبكة الكهربائية ، حافظت على قدرتها على تخزين الطاقة وإطلاقها لأكثر من عام من الشحن والتفريغ المستمر.
توفربطاريات الجيل الجديد تخزينًا للطاقة طويل الأمد وقابل لإعادة الشحن ، خاصة من أجل موثوقية الشبكة. على عكس بطاريات الحالة الصلبة ، تخزن البطاريات المتدفقة الطاقة في سائل إلكتروليت ، كما هو موضح هنا باللونين الأصفر والأزرق.
طور الباحثون في PNNL بطارية تدفق جديدة رخيصة وفعالة تستخدم مشتقًا بسيطًا من السكر يسمى β-cyclodextrin (وردي) لتسريع التفاعل الكيميائي الذي يحول الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية (الأرجواني إلى البرتقالي) ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة (الإلكترونات) إلى طاقة.
آلية عمل بطاريات الجيل الجديد
تعمل عملية عكسية موازية (حمراء وخضراء) في محلول الكاثوليت الإيجابي على موازنة الشحنات الموجبة والسالبة أثناء الشحن والتفريغ.
الدراسة ، التي نُشرت للتو في مجلة Joule ، توضح بالتفصيل الاستخدام الأول لسكر بسيط مذاب يسمى β-cyclodextrin ، وهو مشتق من النشا ، لزيادة عمر البطارية وسعتها.
في سلسلة من التجارب ، قام العلماء بتحسين نسبة المواد الكيميائية في النظام حتى وصلت إلى 60 بالمائة من طاقة الذروة.
ثم قاموا بتدوير البطارية مرارًا وتكرارًا لأكثر من عام ، ولم يوقفوا التجربة إلا عند فشل الأنبوب البلاستيكي. خلال كل ذلك الوقت ، فقدت بطارية التدفق بالكاد أي من نشاطها لإعادة الشحن.
هذه هي أول تجربة لبطارية التدفق على نطاق معمل للإبلاغ عن أكثر من عام من الاستخدام المتواصل مع الحد الأدنى من فقدان السعة.
المضاف β-cyclodextrin هو أيضًا أول من يسرع التفاعل الكهروكيميائي الذي يخزن ثم يطلق طاقة بطارية التدفق ، في عملية تسمى التحفيز المتجانس. هذا يعني أن السكر يقوم بعمله وهو يذوب في المحلول ، وليس كمادة صلبة مطبقة على السطح.
قال وي وانج ، باحث بطارية PNNL منذ فترة طويلة والباحث الرئيسي في الدراسة: “هذا نهج جديد تمامًا لتطوير إلكتروليت بطارية التدفق”. “أظهرنا أنه يمكنك استخدام نوع مختلف تمامًا من المحفزات المصممة لتسريع تحويل الطاقة.
علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يذوب في السائل المنحل بالكهرباء ، فإنه يلغي إمكانية إزاحة صلبة للنظام وإفساده “.
ما هي بطاريات الجيل الجديدة
كما يوحي اسمها ، تتكون بطاريات الجيل الجديد من :
- غرفتين ، كل منهما مملوءة بسائل مختلف.
- تشحن البطاريات من خلال تفاعل كهروكيميائي وتخزن الطاقة في روابط كيميائية.
- عند الاتصال بدائرة خارجية ، يطلقون تلك الطاقة ، التي يمكنها تشغيل الأجهزة الكهربائية.
تختلف بطاريات الجيل الجديد عن بطاريات الحالة الصلبة في أنها تحتوي على خزانين خارجيين للسائل يدوران باستمرار من خلالهما لتزويد الإلكتروليت ، وهو ما يشبه “إمداد الدم” للنظام. كلما زاد حجم خزان إمداد الإلكتروليت ، زادت الطاقة التي يمكن لبطارية التدفق تخزينها.
إذا تم توسيع نطاقها إلى حجم ملعب كرة قدم أو أكثر ، فيمكن أن تعمل بطاريات التدفق كمولدات احتياطية للشبكة الكهربائية.
تعد بطاريات الجيل الجديد إحدى الركائز الأساسية لاستراتيجية إزالة الكربون لتخزين الطاقة من موارد الطاقة المتجددة. ميزتهم هي أنه يمكن بناؤها على أي نطاق ، من مقياس البدلاء المختبر ، كما في دراسة PNNL ، إلى حجم كتلة المدينة.
لماذا نحتاج إلى أنواع جديدة من بطاريات التدفق
يوفر تخزين الطاقة على نطاق واسع نوعًا من بوليصة التأمين ضد تعطل شبكتنا الكهربائية.
عندما يعيق الطقس القاسي أو ارتفاع الطلب القدرة على توفير الكهرباء للمنازل والشركات ، يمكن أن تساعد الطاقة المخزنة في مرافق بطاريات التدفق على نطاق واسع في تقليل الانقطاع أو استعادة الخدمة. من المتوقع أن تزداد الحاجة إلى مرافق بطاريات التدفق هذه ، حيث يأتي توليد الكهرباء بشكل متزايد من مصادر الطاقة المتجددة ، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية.
تتطلب مصادر الطاقة المتقطعة مثل هذه مكانًا لتخزين الطاقة حتى تصبح ضرورية لتلبية طلب المستهلك.
في حين أن هناك العديد من تصميمات بطاريات التدفق وبعض التركيبات التجارية ، فإن المرافق التجارية القائمة تعتمد على المعادن الملغومة مثل الفاناديوم والتي تكون مكلفة ويصعب الحصول عليها.
لهذا السبب تبحث فرق البحث عن تقنيات بديلة فعالة تستخدم مواد أكثر شيوعًا يسهل تصنيعها واستقرارها وغير سامة.
قال إيمري جيوك ، مدير أبحاث تخزين الطاقة في مكتب الكهرباء بوزارة الطاقة: ” لا يمكننا دائمًا حفر الأرض بحثًا عن مواد جديدة”.
“نحن بحاجة إلى تطوير نهج مستدام مع المواد الكيميائية التي يمكننا تصنيعها بكميات كبيرة – تمامًا مثل الصناعات الدوائية والغذائية.”
يعد العمل على بطاريات التدفق جزءًا من برنامج كبير في PNNL لتطوير واختبار تقنيات جديدة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة والتي سيتم تسريعها مع افتتاح PNNL’s Grid Storage Launchpad في عام 2024.
تعمل “المياه المحلاة بالسكر” على تحلية الإناء للحصول على بطارية تدفق فعالة.
يضم فريق البحث في PNNL الذي طور هذا التصميم الجديد للبطارية باحثين ذوي خلفيات في التركيب العضوي والكيميائي.
كانت هذه المهارات مفيدة عندما اختار الفريق العمل مع المواد التي لم يتم استخدامها في أبحاث البطاريات ، ولكن تم إنتاجها بالفعل لاستخدامات صناعية أخرى.
فريق العمل
قال Ruozhu Feng ، المؤلف الأول للدراسة الجديدة: “كنا نبحث عن طريقة بسيطة لإذابة المزيد من الفلورينول في إلكتروليتنا ذو الأساس المائي”. “β-cyclodextrin ساعد في القيام بذلك ، بشكل متواضع ، لكن الفائدة الحقيقية كانت هذه القدرة التحفيزية المدهشة.”
ثم عمل الباحثون مع المؤلف المشارك شارون هاميس شيفر من جامعة ييل ، وهي سلطة رائدة في التفاعل الكيميائي الكامن وراء التعزيز الحفاز ، لشرح كيفية عمله.
كما هو موضح في الدراسة البحثية ، فإن مضاف السكر يقبل البروتونات الموجبة الشحنة ، مما يساعد على موازنة حركة الإلكترونات السالبة أثناء تفريغ البطارية.
التفاصيل أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، لكن الأمر يشبه تحلية السكر للوعاء للسماح للمواد الكيميائية الأخرى بإكمال رقصتها الكيميائية.
الدراسة هي الجيل التالي من تصميم بطاريات الجيل الجديد الحاصل على براءة اختراع من PNNL والذي تم وصفه لأول مرة في مجلة Science في عام 2021.
هناك ، أظهر الباحثون أن مادة كيميائية أخرى شائعة ، تسمى الفلورينون ، هي مكون فعال لبطارية التدفق. لكن هذا الاختراق الأولي يحتاج إلى تحسين لأن العملية كانت بطيئة مقارنة بتقنية بطاريات التدفق التجارية.
يقول الباحثون إن هذا التقدم الجديد يجعل تصميم البطارية مرشحًا للارتقاء.
في الوقت نفسه ، يعمل فريق البحث على تحسين النظام بشكل أكبر من خلال تجربة مركبات أخرى تشبه β-cyclodextrin ولكنها أصغر. مثل العسل ، تعمل إضافة β-cyclodextrin أيضًا على جعل السائل أكثر سمكًا ، وهو أقل من مثالي لنظام التدفق. ومع ذلك ، وجد الباحثون أن فوائده تفوق عيوبه.
يتطلب فهم الكيمياء المعقدة التي تحدث داخل تصميم بطارية التدفق الجديد خبرة العديد من العلماء ، بما في ذلك Ying Chen و Xin Zhang و Peiyuan Gao و Ping Chen و Sebastian Mergelsberg و Lirong Zhong و Aaron Hollas و Yangang Lian و Vijayakumar Murugesan و Qian Huang و Eric والتر ويويان شاو من PNNL ، وبنجامين جي جي روسو وهاميس شيفر من جامعة ييل ، بالإضافة إلى فينج ووانغ.
تقدم فريق البحث بطلب للحصول على حماية براءات الاختراع الأمريكية لتصميم بطاريات الجيل الجديد .
تلقت هذه الدراسة دعمًا من مكتب الكهرباء التابع لوزارة الطاقة من خلال برنامج تخزين الطاقة ومن الاستثمارات البحثية الداخلية من خلال مبادرة مواد تخزين الطاقة في PNNL.
دعم مركز التحفيز الكهربي الجزيئي ، وهو مركز أبحاث حدود الطاقة بتمويل من مكتب العلوم وعلوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، الحسابات الرياضية التي أوضحت زيادة سعة البطارية. تم إجراء حسابات داعمة ودراسات تصوير إضافية في مختبر العلوم الجزيئية البيئية ، وهو مرفق علمي وطني يقع في PNNL.
المصدر
شاهد ايضا :
ما هو عالم Metaverse الافتراضي وما أهميته لك؟
جميع حقوق الملكية الفكرية والنشر محفوظة لموقع غدق www.ghadk.com
“يمنع منعاً باتاً نقل أو نسخ هذا المحتوى تحت طائلة المسائلة القانونية والفكرية”
يمكنكم دعم الموقع عن طريق الاشتراك في صفحة الفيس بوك Facebook وحساب الانستغرام Instagram وحساب تويتر Twitter
للتواصل والاستفسار والدعم التواصل على البريد التالي : ghadak.site@gmail.com
