Stanford-onderzoekers hebben een op water gebaseerde batterij ontwikkeld die een goedkope manier zou kunnen zijn om wind- of zonne-energie op te slaan die wordt gegenereerd wanneer de zon schijnt en de wind waait, zodat deze kan worden teruggevoerd naar het elektriciteitsnet en kan worden herverdeeld wanneer de vraag groot is.

Het prototype mangaan-waterstofbatterij, vandaag gemeld in Natuur Energie , is slechts 15 cm hoog en genereert slechts 20 milliwattuur elektriciteit, wat vergelijkbaar is met het energieniveau van LED-zaklampen zou men een sleutelhanger kunnen ophangen.

Ondanks de geringe output van het prototype, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze deze tafeltechnologie kunnen uitbreiden tot een systeem van industriële kwaliteit dat tot 10 kan opladen en opladen, 000 keer, het creëren van een batterij op grid-schaal met een nuttige levensduur van meer dan tien jaar.

Yi Cui, een professor in materiaalkunde aan Stanford en senior auteur op het papier, zei dat mangaan-waterstofbatterijtechnologie een van de ontbrekende stukjes zou kunnen zijn in de energiepuzzel van de natie - een manier om onvoorspelbare wind- of zonne-energie op te slaan om de noodzaak te verminderen om betrouwbare maar koolstofuitstotende fossiele brandstoffen te verbranden wanneer de hernieuwbare bronnen dat niet zijn beschikbaar.

"Wat we hebben gedaan, is een speciaal zout in het water gooien, in een elektrode gevallen, en creëerde een omkeerbare chemische reactie die elektronen opslaat in de vorm van waterstofgas, ' zei Cui.

Slimme chemie

Het team dat het concept bedacht en het prototype bouwde, stond onder leiding van Wei Chen, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Cui. In wezen hebben de onderzoekers een omkeerbare elektronenuitwisseling tussen water en mangaansulfaat bewerkstelligd, een goedkope, overvloedig industrieel zout dat wordt gebruikt om droge celbatterijen te maken, meststoffen, papier en andere producten.

Om na te bootsen hoe een wind- of zonnebron de batterij van stroom kan voorzien, de onderzoekers bevestigden een stroombron aan het prototype. De binnenstromende elektronen reageerden met het in het water opgeloste mangaansulfaat, waardoor deeltjes mangaandioxide aan de elektroden bleven kleven. Overtollige elektronen borrelden weg als waterstofgas en sloegen die energie op voor toekomstig gebruik. Ingenieurs weten hoe ze elektriciteit kunnen recreëren uit de energie die is opgeslagen in waterstofgas, dus de belangrijkste volgende stap was om te bewijzen dat de batterij op waterbasis kan worden opgeladen.

De onderzoekers deden dit door hun stroombron opnieuw te bevestigen aan het uitgeputte prototype, dit keer met als doel de mangaandioxidedeeltjes die zich aan de elektrode hechten, te laten combineren met water, het aanvullen van het mangaansulfaatzout. Toen dit zout eenmaal was hersteld, inkomende elektronen werden een overschot, en overtollig vermogen zou kunnen wegborrelen als waterstofgas, in een proces dat zich keer op keer kan herhalen.

Cui schatte dat gezien de verwachte levensduur van de batterij op waterbasis, het zou een cent kosten om genoeg elektriciteit op te slaan om een ​​gloeilamp van 100 watt twaalf uur lang van stroom te voorzien.

"We geloven dat deze prototypetechnologie zal kunnen voldoen aan de doelstellingen van het Department of Energy (DOE) voor praktische elektrische opslag op grote schaal, ' zei Cui.

De DOE heeft aanbevolen dat batterijen voor opslag op netschaal gedurende een uur ten minste 20 kilowatt stroom moeten opslaan en vervolgens ontladen, in staat zijn tot minimaal 5, 000 oplaadbeurten, en hebben een nuttige levensduur van 10 jaar of meer. Om het praktisch te maken, zou zo'n batterijsysteem $ 2 moeten kosten, 000 of minder, of $ 100 per kilowattuur.

Voormalig minister van Energie en Nobelprijswinnaar Steven Chu, nu professor aan Stanford, heeft al lang interesse in het aanmoedigen van technologieën om de natie te helpen bij de overgang naar hernieuwbare energie.

"Hoewel de precieze materialen en het ontwerp nog moeten worden ontwikkeld, dit prototype demonstreert het type wetenschap en techniek dat nieuwe manieren suggereert om goedkope, batterijen met een lange levensduur, " zei Chu, die geen lid was van het onderzoeksteam.

Afschakelen van koolstof

Volgens schattingen van DOE ongeveer 70 procent van de Amerikaanse elektriciteit wordt opgewekt door kolen- of aardgascentrales, die goed zijn voor 40 procent van de CO2-uitstoot. Overschakelen naar wind- en zonne-energie is een manier om die uitstoot te verminderen, maar het creëert een nieuwe uitdaging met betrekking tot de variabiliteit van de stroomvoorziening. Het duidelijkst, de zon schijnt alleen overdag en, soms, de wind waait niet.

Maar een andere, minder goed begrepen, maar geïmporteerde vorm van variabiliteit komt van de sterke vraag naar het net - dat netwerk van hoogspanningsdraden die elektriciteit over regio's en uiteindelijk naar huizen distribueren. Op een warme dag, als mensen thuiskomen van hun werk en de airconditioning aanzetten, nutsbedrijven moeten load-balancing-strategieën hebben om aan de piekvraag te voldoen:een manier om de stroomopwekking binnen enkele minuten te stimuleren om brownouts of black-outs te voorkomen die anders het net zouden kunnen doen uitvallen.

Tegenwoordig bereiken nutsbedrijven dit vaak door on-demand of "uitzendbare" energiecentrales op te starten die een groot deel van de dag inactief kunnen zijn, maar kan binnen enkele minuten online komen - produceert snelle energie maar verhoogt de CO2-uitstoot. Sommige nutsbedrijven hebben load balancing op korte termijn ontwikkeld die niet afhankelijk is van centrales voor het verbranden van fossiele brandstoffen. Het meest voorkomende en kosteneffect van een dergelijke strategie is gepompte hydro-elektrische opslag:overtollig vermogen gebruiken om water bergopwaarts te sturen, laat het dan terugstromen om tijdens piekvraag energie op te wekken. Echter, hydro-elektrische opslag werkt alleen in regio's met het water en de ruimte, dus om wind en zonne-energie nuttiger te maken, heeft DOE batterijen met een hoge capaciteit aangemoedigd als alternatief.

Hoge capaciteit, goedkoop

Cui zei dat er verschillende soorten oplaadbare batterijtechnologieën op de markt zijn, maar het is niet duidelijk welke benaderingen zullen voldoen aan de DOE-vereisten en hun bruikbaarheid bewijzen aan de nutsbedrijven, regelgevers en andere belanghebbenden die het elektriciteitsnet van het land onderhouden.

Bijvoorbeeld, Cui zei oplaadbare lithium-ionbatterijen, die de kleine hoeveelheden energie opslaan die nodig zijn om telefoons en laptops te laten werken, zijn gebaseerd op zeldzame materialen en zijn dus te prijzig om stroom op te slaan voor een wijk of stad. Cui zei dat opslag op rasterschaal een goedkope, hoge capaciteit, oplaadbare batterij en het mangaan-waterstofproces lijkt veelbelovend.

"Andere oplaadbare batterijtechnologieën zijn gemakkelijk meer dan 5 keer zo duur gedurende de levensduur, ' voegde Cui eraan toe.

Chen zei nieuwe chemie, goedkope materialen en relatieve eenvoud maakten de mangaan-waterstofbatterij ideaal voor goedkope inzet op netschaal.

"De doorbraak die we melden in Natuur Energie heeft het potentieel om te voldoen aan de criteria voor rasterschaal van DOE, ' zei Chen.

Het prototype heeft ontwikkelingswerk nodig om zichzelf te bewijzen. Om te beginnen gebruikt het platina als katalysator om de cruciale chemische reacties op de elektrode te stimuleren die het oplaadproces efficiënt maken, en de kosten van dat onderdeel zouden onbetaalbaar zijn voor grootschalige implementatie. Maar Chen zei dat het team al werkt aan goedkopere manieren om mangaansulfaat en water over te halen om de omkeerbare elektronenuitwisseling uit te voeren.

"We hebben katalysatoren geïdentificeerd die ons onder het DOE-doel van $ 100 per kilowattuur zouden kunnen brengen, " hij zei.

De onderzoekers meldden dat ze 10, 000 herladingen van de prototypes, dat is tweemaal de DOE-vereisten, maar zeg dat het nodig zal zijn om de mangaan-waterstofbatterij te testen onder werkelijke opslagomstandigheden in het elektriciteitsnet om de levensduur en de kosten echt te beoordelen.

Cui zei dat hij heeft geprobeerd het proces te patenteren via het Stanford Office of Technology Licensing, en is van plan een bedrijf op te richten om het systeem te commercialiseren.

Yi Cui is ook een professor in het Photon Science Directorate bij SLAC National Accelerator Laboratory, en een Senior Fellow van het Precourt Institute for Energy, een lid van Stanford Bio-X en het Stanford Neurosciences Institute. Andere co-auteurs zijn onder meer Guodong Li, een gastonderzoeker in materiaalkunde en techniek en nu bij de Chinese Academie van Wetenschappen; postdoctorale geleerden Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen en Jiangyan Wang; gastwetenschapper Hao Zhang; en afgestudeerde studenten Zheng Liang, Yuzhang Li en Allen Pei.