Foto: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto # 46)

Ett nytt vattenbaserat batteri kan erbjuda ett billigt sätt att lagra vind eller solenergi för senare, säger forskare.

Batteriet lagrar energi som alstras när solen skiner och vinden blåser så att den kan matas tillbaka till elnätet och omfördelas när efterfrågan är hög.

Prototypmangan-vätebatteriet, rapporterat i Nature Energi, står bara tre inches lång och genererar enbart 20 milliwatt-timmar el, vilket ligger i nivå med energinivåerna hos LED-ficklampor som hänger på en nyckelring.

Trots prototypens minskade utmatning är forskarna övertygade om att de kan skala upp denna bords-teknik till ett industriellt system som kan laddas och laddas upp till 10,000 gånger, vilket skapar ett nätskala batteri med en användbar livslängd som överstiger en årtionde.

Yi Cui, professor i materialvetenskap vid Stanford University och senior författare av papperet, säger att mangan-vätebatterietekniken skulle kunna vara en av de saknade bitarna i nationens energipussel - ett sätt att lagra oförutsägbar vind eller solenergi för att minska behovet av att bränna tillförlitliga men koldioxidutsläppande fossila bränslen när förnybara källor inte är tillgängliga.

"Det vi har gjort kastas ett speciellt salt i vatten, tappas i en elektrod och skapar en reversibel kemisk reaktion som lagrar elektroner i form av vätegas", säger Cui.

Snygg kemi

Wei Chen, en postdoktor i Cui's lab, ledde laget som drömde upp konceptet och byggde prototypen. I huvudsak koaxerade forskarna en reversibel elektronutbyte mellan vatten och mangansulfat, ett billigt, rikligt industrisalt som användes för att producera torrbatterier, gödningsmedel, papper och andra produkter.

För att efterlikna hur en vind- eller solkälla skulle kunna ge ström till batteriet, fäster forskarna en strömkälla till prototypen. De elektroner som flyter i reaktion med mangansulfatet upplöst i vattnet för att låta partiklar av mangandioxid klamra sig vid elektroderna. Överflödiga elektroner bubblas bort som vätgas, lagrar den energin för framtida användning.

Ingenjörer vet hur man återskapar el från den energi som lagras i vätgas, så det viktiga nästa steg var att bevisa att de kan ladda upp det vattenbaserade batteriet.

Forskarna gjorde detta genom att fästa sin kraftkälla till den utarmade prototypen, den här gången med målet att inducera mangandioxidpartiklarna som klamrar sig till elektroden för att kombinera med vatten och fylla på mangansulfatsaltet. När denna process återställde saltet blev inkommande elektroner överskott och överflödig effekt kunde bubbla bort som vätegas, i en metod som kan upprepas om och om och om igen.

Cui uppskattar att med tanke på det vattenbaserade batteriets förväntade livslängd skulle det kosta ett öre att lagra tillräckligt med el för att driva en 100-watt-lampa i tolv timmar.

"Vi tror att den här prototyptekniken kommer att kunna uppfylla avdelningen för energimål för användbar skala för elektrisk lagring," säger Cui.

Energiministeriet har rekommenderat att batterier för lagring av nätskala lagras och sedan ladda ut minst 20-kilowatt över en period på en timme, ha kapacitet för minst 5,000-laddningar och ha en användbar livslängd på 10 år eller Mer. För att göra det praktiskt bör ett sådant batterisystem kosta $ 2,000 eller mindre, eller $ 100 per kilowattimme.

Tidigare DOE-sekreterare och nobelpristagare Steven Chu, nu professor i Stanford, har ett långvarigt intresse av att uppmuntra teknik för att hjälpa nationen att övergå till förnybar energi.

"Medan exakta material och design fortfarande behöver utvecklas, visar prototypen den typ av vetenskap och teknik som föreslår nya sätt att uppnå billiga, hållbara batterier," säger Chu, som inte var medlem i forskningsteam.

Driva nätet

Enligt DOE uppskattningar genereras cirka 70-procent av amerikansk el av kol- eller naturgasväxter, som står för 40-procenten av koldioxidutsläpp. Att byta till vind och solgenerering är ett sätt att minska utsläppen. Men det skapar nya utmaningar som innebär att strömförsörjningen varierar. Mest uppenbarligen skiner solen bara om dagen och ibland blåser inte vinden.

Men en annan mindre förstådd men viktig variationsform kommer från överflöd av efterfrågan på nätet - det nätverket av högspänningsledningar som distribuerar el över regioner och i slutändan till bostäder. På en varm dag, när människor kommer hem från jobbet och krumper upp luftkonditioneringen, måste verktyg ha belastningsbalanseringsstrategier för att möta högsta efterfrågan: något sätt att öka kraftproduktionen inom några minuter för att undvika brownouts eller blackouts som annars skulle kunna sätta ner nätet .

Idag uppnår verktygen ofta detta genom att skjuta upp efterfrågade eller "avsändbara" kraftverk som kan ligga ledigt mycket av dagen men kan komma på nätet inom några minuter, vilket ger snabb energi men ökar koldioxidutsläppen. Vissa verktyg har utvecklat kortsiktig lastbalansering som inte är beroende av fossila bränslen.

Den vanligaste och mest kostnadseffektiva strategin är pumpad vattenkraftlagring: Användning av överflödig kraft för att skicka vatten upp och sedan låta det strömma tillbaka för att generera energi under spetsbehov. Vattenkraftlagring fungerar emellertid endast i områden med tillräckligt med vatten och utrymme. För att göra vind och sol mer användbar har DOE uppmuntrat batterier med hög kapacitet som ett alternativ.

Slår tävlingen

Cui säger att det finns flera typer av uppladdningsbara batteriteknologier på marknaden, men det är inte klart vilka tillvägagångssätt som kommer att uppfylla DOE-krav och bevisa att de är praktiska för verktygen, tillsynsmyndigheterna och andra intressenter som behåller nationens elnät.

Cui säger till exempel uppladdningsbara litiumjonbatterier, som lagrar de små mängder energi som behövs för att köra telefoner och bärbara datorer, baseras på sällsynta material och är därför för dyra för att lagra ström till ett grannskap eller en stad. Cui säger att nätförvaring kräver ett billigt, högkapacitets uppladdningsbart batteri. Mangan-väteprocessen verkar lovande.

"Andra uppladdningsbara batteriteknologier är lätt mer än fem gånger så höga kostnader under livslängden", tillägger Cui.

Chen säger ny kemi, lågkostnadsmaterial och relativ enkelhet gjorde mangan-vätebatteriet idealiskt för lågkostnadskanaler.

Prototypen behöver utvecklingsarbete för att bevisa sig själv. För en sak använder den platina som en katalysator för att stimulera de avgörande kemiska reaktionerna hos elektroden som gör laddningsprocessen effektiv, och kostnaden för den komponenten skulle vara oöverstiglig för storskalig utplacering. Men Chen säger att teamet redan arbetar på billigare sätt att koaxera mangansulfat och vatten för att utföra den reversibla elektronutbytet.

"Vi har identifierat katalysatorer som kan ge oss under $ 100 per kilowatt-timme DOE-målet", säger han.

Forskarna rapporterar att 10,000 laddar prototyperna, vilket är dubbelt så mycket som DOE-kraven, men säger att det kommer att bli nödvändigt att testa mangan-vätebatteriet under de faktiska elförvaringsförhållandena för att verkligen kunna bedöma dess livslängd och kostnad.

Cui säger att han har försökt att patentera processen genom Stanford Office of Technology Licensing och planerar att bilda ett företag för att kommersialisera systemet.

Om författarna

Yi Cui, professor i materialvetenskap vid Stanford University, är seniorförfattaren av tidningen. Ytterligare medförfattare är från den kinesiska vetenskapsakademin och Stanford. Energiministeriet finansierade forskningen.

Källa: Stanford University

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon