Wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory hebben een cruciaal onderdeel ontwikkeld voor een nieuw soort goedkoop stationair batterijsysteem dat gebruik maakt van gewone materialen en is ontworpen voor elektriciteitsopslag op elektriciteitsnet.

Groot, zuinige elektriciteitsopslagsystemen kunnen het nationale net op verschillende manieren ten goede komen:het balanceren van belastingen tussen piek- en daluren; het leveren van energie tijdens storingen; het opslaan van elektriciteit uit fluctuerende bronnen zoals wind- en zonne-energie; en het accommoderen van extreem snel opladen van elektrische voertuigen.

Het net is voornamelijk afhankelijk van waterkrachtfaciliteiten voor energieopslag, hoewel stationaire systemen met lithium-ionbatterijen toenemen. Echter, lithium is duur en komt meestal uit landen buiten de Verenigde Staten.

Sommige nutsbedrijven hebben Redox Flow Battery (RFB)-systemen getest die een kruising zijn tussen een conventionele batterij en een brandstofcel. RFB's zijn zeer geschikt voor rastertoepassingen omdat ze duurzaam zijn, lang geleefd, gemakkelijk schaalbaar, en hebben een snelle reactietijd. Echter, de meeste RFB's die tegenwoordig worden getest, zijn gebaseerd op een op water gebaseerd (waterig) systeem, waardoor de hoeveelheid elektriciteit die kan worden opgeslagen, wordt verminderd, ook wel energiedichtheid genoemd.

Een niet-waterige stroombatterij die gewone, goedkope materialen in plaats van water en die grotere hoeveelheden stroom in een kleiner volume kunnen opslaan, was een topprioriteit voor batterijwetenschappers. Een van de struikelblokken was de ontwikkeling van een geschikt membraan om de positieve en negatieve elektrolyten in de batterij te scheiden en tegelijkertijd de overdracht van ionen mogelijk te maken.

ORNL-wetenschappers hebben nu een membraan ontwikkeld voor een op natrium gebaseerde, niet-waterige RFB die de energiedichtheid zou kunnen verdubbelen of verdrievoudigen die typisch wordt gezien in RFB's op waterbasis. Het werk wordt gefinancierd door het Department of Energy's Office of Electricity en zijn Energy Storage-programma, en door laboratoriumgestuurde financiering bij ORNL.

Het membraan is gemaakt van een gemeenschappelijk, goedkope polymeer, polyethyleenoxide (PEO). De geleidbaarheid werd maar liefst 100-voudig verbeterd door toevoeging van een weekmaker:tetraethyleenglycol-dimethylether. Echter, het mengsel verminderde ook de mechanische sterkte van het membraan. Om dat effect te compenseren, de wetenschappers vermengden de PEO met carboxymethylcellulose - een andere veel voorkomende, veilig materiaal dat vaak wordt gebruikt als verdikkingsmiddel in de voedingsindustrie. De combinatie van alle drie de stoffen resulteert in een zeer duurzaam membraan dat naar verwachting goed zal functioneren in energierijke batterijen.

"Niet-waterige redoxsystemen werken op hoogspanning, hogere energiedichtheid mogelijk maken. Maar de sleutel is om een ​​hoge energiedichtheid te bereiken zonder enige kostenpost, " zei Jagjit Nanda, de hoofdonderzoeker van het project in de Materials Science and Technology Division van ORNL.

Roos Ruther, een medewerker van de afdeling Energie- en Transportwetenschap, zei:"Dit gaat echt over de chemie van het systeem en begrijpen hoe het allemaal met elkaar verbonden is en waarom we deze grote verbetering in geleidbaarheid met het membraan krijgen."

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in een tijdschriftartikel, "Goedkoop, mechanisch robuust, geleidende natriumionenmembranen voor niet-waterige redoxflow-batterijen, " onlangs gepubliceerd in ACS Energiebrieven .

"Er is een enorme druk om oplossingen voor energieopslag voor het net te vinden. Grote energieopslagsystemen kunnen een zeer dure propositie zijn, "Zei Ruther. "Kostenschalen met grootte, dus als we de energiedichtheid kunnen vergroten, dat kan een grote besparing opleveren."

"De heilige graal is een systeem dat geen gebruik maakt van schaarse, dure bronnen en heeft een hoger potentieel voor commercialisering tegen lagere kosten" dan de huidige batterijtechnologieën, zei Nanda. "De zwakste schakel in het systeem is het membraan, en we hebben vooruitgang geboekt om dit probleem op te lossen met deze nieuwe, goedkoop prototype."

De volgende stap in het project is om het membraan verder te ontwikkelen om het selectiever te maken in het voorkomen van de crossover van tegenionen en om de mechanische flexibiliteit en robuustheid te verbeteren.