Een goedkope, krachtige batterijchemie ontwikkeld door Boulder-onderzoekers van de Universiteit van Colorado zou op een dag kunnen leiden tot schaalbare opslag op netniveau voor wind- en zonne-energie die elektriciteitsbedrijven zou kunnen helpen hun afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.

De nieuwe innovatie, vandaag beschreven in het tijdschrift Joule , schetst twee waterige stroombatterijen, ook bekend als redoxflow-batterijen, die chroom en organische bindmiddelen gebruiken om uitzonderlijke spanning en hoge efficiëntie te bereiken. De componenten zijn overvloedig in de natuur, het aanbieden van toekomstige belofte voor kosteneffectieve productie.

"We zijn verheugd om enkele van de best presterende batterijchemie ooit te melden, voorbij de vorige grenzen, " zei Michael Marshak, senior auteur van de studie en een assistent-professor in CU Boulder's Department of Chemistry. "De materialen zijn goedkoop, niet giftig en gemakkelijk verkrijgbaar."

Hernieuwbare energiebronnen zorgen voor een groeiend aandeel in de Amerikaanse elektriciteitsproductie, maar momenteel ontbreekt een grootschalige oplossing om geoogste energie op te slaan en opnieuw in te zetten om aan de vraag te voldoen tijdens perioden dat de zon niet schijnt en de wind niet waait.

"Er zijn overdag mismatches tussen vraag en aanbod op het energienet, " zei Maarschak, die ook een fellow is in het Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI). "De zon kan 's ochtends aan de behoeften van het net voldoen, maar de vraag piekt meestal in de late namiddag en gaat door tot in de avond nadat de zon is ondergegaan. Direct, nutsbedrijven moeten die leemte opvullen door hun kolen- en aardgasproductie snel op te voeren, net zoals je een auto van nul naar zestig zou nemen."

Hoewel lithiumionen stroom kunnen leveren voor toepassingen op kleinere schaal, je zou miljoenen batterijen nodig hebben om zelfs een kleine elektriciteitscentrale op fossiele brandstof een uur lang te ondersteunen, zegt Marshak. Maar hoewel de lithium-ionchemie effectief is, het is niet geschikt om aan de capaciteit van een volledig windturbineveld of zonnepaneelarray te voldoen.

"Het fundamentele probleem met lithium-ionbatterijen is dat ze niet zo goed schalen, "Zei Marshak. "Hoe meer solide materiaal je toevoegt, hoe meer weerstand je toevoegt en dan moeten alle andere componenten tegelijk toenemen. Dus in wezen, als je twee keer zoveel energie wilt, je moet twee keer zoveel batterijen bouwen en dat is gewoon niet rendabel als je het over zoveel megawattuur hebt."

Flow-batterijen zijn geïdentificeerd als een meer veelbelovende weg. Waterige batterijen houden hun actieve ingrediënten in vloeibare vorm gescheiden in grote tanks, waardoor het systeem energie op een beheerde manier kan distribueren, vergelijkbaar met de manier waarop een gastank zorgt voor een constante verbranding van brandstof aan de motor van een auto wanneer u het pedaal indrukt.

Hoewel er enkele voorbeelden zijn van stroombatterijen die al tientallen jaren consistent werken (zoals in Japan), ze hebben moeite gehad om brede voet aan de grond te krijgen in commerciële en gemeentelijke activiteiten, deels vanwege hun logge omvang, hoge bedrijfskosten en een vergelijkbaar laag voltage.

"De grootte is minder een probleem voor systemen op rasterschaal, omdat het gewoon zou worden vastgemaakt aan een toch al grote structuur, "Zei Marshak. "Waar het om gaat zijn de kosten, en dat is wat we wilden verbeteren."

De onderzoekers gingen terug naar de basis, het opnieuw onderzoeken van flow-batterijchemie die jaren geleden was bestudeerd, maar verlaten. De sleutel bleek het combineren van organische bindmiddelen, of chelaten, met chroomionen om een ​​krachtige elektrolyt te stabiliseren.

"Sommige mensen hebben deze benadering eerder gevolgd, maar had niet genoeg aandacht besteed aan de bindmiddelen, " zei Brian Robb, hoofdauteur van de nieuwe studie en een doctoraatsstudent bij de afdeling Chemische en Biologische Technologie (CHBE). "Je moet het chelaat afstemmen op het metaalion en we hebben veel werk verzet om de juiste te vinden die ze stevig zou binden."

maarschalk, Robb en co-auteur Jason Farrell aangepast chelaat bekend als PDTA creëert een "schild" rond het chroomelektron, voorkomen dat water de reactant hindert en een van de batterijcellen 2,13 volt laat verspreiden - bijna het dubbele van het operationele gemiddelde voor een stroombatterij.

PDTA is een spin-off van EDTA, een middel dat al in sommige handzeep wordt gebruikt, voedselconserveringsmiddelen en gemeentelijke waterbehandelingen vanwege de bacterieremmende eigenschappen. EDTA wordt als niet-toxisch beschouwd. De chemie gebruikt ook de goedaardige vorm van chroom, hetzelfde type dat wordt gebruikt in chirurgische instrumenten van roestvrij staal.

"We hebben dit laten werken bij de relatief neutrale pH van 9, in tegenstelling tot andere batterijen die zeer bijtend zuur gebruiken dat moeilijk te verwerken is en moeilijk op verantwoorde wijze kan worden weggegooid, "Zei Robb. "Dit lijkt meer op wasmiddel."

"Je zou morgen 15 ton van deze materialen kunnen bestellen als je wilt, omdat er al fabrieken zijn die ze produceren, ', voegde Marshak eraan toe.

Marshak en Robb hebben een patent aangevraagd op de innovatie met hulp van CU Boulder Venture Partners. Ze zijn van plan om door te gaan met het optimaliseren van hun systeem, including scaling it up in the lab in order to cycle the battery for even longer periods of time.

"We've solved the problem on a fundamental level, " Marshak said. "Now there are a lot of things we can try in order to keep pushing the performance limit."