О новой технологии аккумуляторов сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature 9 января. В рамках программы OPEN 2012 группа из Гарварда получила финансирование от Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) для разработки инновационной сети. масштабировать батарею и планирует работать с ARPA-E, чтобы стимулировать дальнейшие технологические и рыночные прорывы в течение следующих нескольких лет.В статье сообщается о безметалловой проточной батарее, которая основана на электрохимии имеющихся в наличии в природе недорогих небольших органических (углеродных) молекул, называемых хинонами, которые похожи на молекулы, накапливающие энергию в растениях и животных.Несоответствие между наличием кратковременного ветра или солнечного света и изменчивостью спроса является самым большим препятствием для получения значительной части нашей электроэнергии из возобновляемых источников.
Эту проблему могут решить экономичные средства хранения большого количества электроэнергии.Батарея была спроектирована, изготовлена и испытана в лаборатории Майкла Дж.
Азиза, профессора Джина и Трейси Сайкс по материалам и энергетическим технологиям Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS). Рой Г. Гордон, профессор химии Томаса Дадли Кэбота и профессор материаловедения, руководил работой по синтезу и химическому скринингу молекул. Алан Аспуру-Гузик, профессор химии и химической биологии, использовал свои новаторские высокопроизводительные методы молекулярного скрининга для расчета свойств более 10 000 молекул хинона в поисках лучших кандидатов для батареи.Проточные батареи хранят энергию в химических жидкостях, содержащихся во внешних резервуарах, как и в топливных элементах, а не в самом контейнере батареи.
Два основных компонента — оборудование для электрохимического преобразования, через которое протекают жидкости (которое устанавливает пиковую мощность), и резервуары для хранения химикатов (которые задают энергоемкость) — могут иметь независимые размеры. Таким образом, количество энергии, которое может быть сохранено, ограничено только размером резервуаров.
Конструкция позволяет хранить большее количество энергии с меньшими затратами, чем с традиционными батареями.Напротив, в батареях с твердыми электродами, которые обычно используются в автомобилях и мобильных устройствах, оборудование для преобразования энергии и энергоемкость объединены в один блок и не могут быть разделены.
Следовательно, они могут поддерживать пиковую мощность разряда менее часа до того, как будут опорожнены, и поэтому плохо подходят для хранения периодически возобновляемых источников энергии.«Наши исследования показывают, что для обеспечения возможности управления солнечной и ветровой энергией через электрическую сеть требуется один-два дня хранения», — сказал Азиз.
Например, для хранения 50 часов энергии от ветряной турбины мощностью 1 мегаватт (50 мегаватт-часов), возможным решением будет покупка традиционных батарей с 50 мегаватт-часами хранения энергии, но они будут поставляться с 50 мегаватт-часами. мегаватт мощности. Плата за мощность в 50 мегаватт, когда необходим только 1 мегаватт, не имеет экономического смысла.По этой причине все больше инженеров уделяют внимание технологии проточных батарей. Но до сих пор проточные батареи полагались на химические вещества, которые были дорогими или сложными в обслуживании, что увеличивало затраты на хранение энергии.
Активными компонентами электролитов в большинстве проточных батарей были металлы. Ванадий используется в наиболее коммерчески передовых технологиях проточных батарей, которые сейчас разрабатываются, но его стоимость устанавливает довольно высокий предел стоимости киловатт-часа в любом масштабе. Другие проточные батареи содержат электрокатализаторы из драгоценных металлов, такие как платина, используемая в топливных элементах.Новая проточная батарея, разработанная командой Гарварда, уже работает так же хорошо, как ванадиевые проточные батареи, с химическими веществами, которые значительно дешевле, и без электрокатализатора из драгоценных металлов.
«Во всем мире хранения электроэнергии используются ионы металлов в различных состояниях заряда, но есть ограниченное количество, которое вы можете поместить в раствор и использовать для хранения энергии, и ни один из них не может экономично хранить огромное количество возобновляемой энергии», — сказал Гордон. . «С органическими молекулами мы представляем огромный новый набор возможностей. Некоторые из них будут ужасными, а некоторые — действительно хорошими. С этими хинонами у нас есть первые, которые выглядят действительно хорошо».
Аспуру-Гузик отметила, что проект очень хорошо согласуется с Инициативой Белого дома по геному материалов. «Этот проект демонстрирует, на что способна синергия высокопроизводительной квантовой химии и экспериментального понимания», — сказал он. «За очень короткий период времени наша команда отточила правильную молекулу. Вычислительный скрининг вместе с экспериментами может привести к открытию новых материалов во многих областях применения».Хиноны богаты сырой нефтью, а также зелеными растениями. Молекула, которую команда Гарварда использовала в своей первой проточной батарее на основе хинона, почти идентична молекуле, найденной в ревене.
Хиноны растворяются в воде, что предотвращает их возгорание.Для резервного копирования коммерческой ветряной турбины потребуется большой резервуар для хранения, возможно, расположенный в подвале ниже уровня, сказал со-ведущий автор Майкл Маршак, научный сотрудник SEAS и факультета химии и химической биологии. Или, если бы у вас было целое поле турбин или большая солнечная ферма, вы могли бы представить несколько очень больших резервуаров для хранения.По словам Маршака, та же технология может быть применена и на потребительском уровне. "Представьте себе устройство размером с резервуар для топочного мазута, стоящее у вас в подвале.
Оно будет хранить дневное количество солнечного света от солнечных батарей на крыше вашего дома, потенциально обеспечивая достаточно для питания вашего дома с полудня до ночи. на следующее утро, не сжигая ископаемое топливо ".«Результаты Гарвардской команды, опубликованные в журнале Nature, демонстрируют раннее, но важное техническое достижение, которое может иметь решающее значение для дальнейшего развития аккумуляторных батарей сетевого масштаба», — сказал директор программы ARPA-E Джон Леммон. «Результат команды проекта — отличный пример того, как небольшое количество каталитического финансирования от ARPA-E может помочь заложить фундамент, который, как мы надеемся, превратит научные открытия в недорогие энергетические технологии на ранней стадии».Руководитель группы Азиз сказал, что следующими шагами в проекте будут дальнейшие испытания и оптимизация системы, которая была продемонстрирована на стенде, и доведение ее до коммерческого масштаба. «До сих пор мы не видели признаков ухудшения характеристик после более чем 100 циклов, но для коммерческих приложений требуются тысячи циклов», — сказал он.
Он также рассчитывает добиться значительных улучшений в химическом составе аккумуляторной системы. «Я думаю, что химический состав, который у нас есть сейчас, может быть лучшим из имеющихся для стационарного хранения и, вполне возможно, достаточно дешевым, чтобы его можно было продавать на рынке», — сказал он. «Но у нас есть идеи, которые могут привести к огромным улучшениям».К концу трехлетнего периода разработки компания Sustainable Innovations, LLC из Коннектикута, соавтор проекта, планирует развернуть демонстрационные версии батареи с органическим потоком, содержащейся в блоке размером с прицеп для лошади.
Портативная увеличенная система хранения может быть подключена к солнечным панелям на крыше коммерческого здания, а электричество от солнечных панелей может либо напрямую обеспечивать потребности здания, либо поступать в хранилище и выходить из хранилища, когда есть необходимость. Компания Sustainable Innovations рассчитывает сыграть ключевую роль в коммерциализации продукта за счет использования сверхнизкой стоимости конструкции электрохимических ячеек и системной архитектуры, которые уже разрабатываются для приложений хранения энергии.«Теоретически вы можете разместить это на любом узле сети», — сказал Азиз. «Если рыночная цена достаточно колеблется, вы можете разместить там накопительное устройство и покупать электроэнергию, чтобы хранить ее, когда цена низкая, а затем продавать ее обратно, когда цена высока. Кроме того, вы можете избежать разрешения и газа. проблемы с поставками, связанные с необходимостью строительства газовой электростанции только для удовлетворения случайных потребностей растущего пикового спроса ».
Эта технология также может обеспечить очень полезную резервную копию автономных солнечных панелей на крыше — важное преимущество, учитывая, что около 20 процентов населения мира не имеет доступа к распределительной сети.Уильям Хоган, профессор глобальной энергетической политики Раймонда Планка в Гарвардской школе Кеннеди и один из ведущих мировых экспертов по рынкам электроэнергии, помогает группе исследовать экономические движущие силы этой технологии.Трент М. Молтер, президент и генеральный директор Sustainable Innovations, LLC, предоставляет экспертные знания по внедрению технологии Гарвардской группы в коммерческие электрохимические системы.«Проблема периодического хранения возобновляемых источников энергии является самым большим препятствием для получения большей части нашей энергии от солнца и ветра», — сказал Азиз. «Безопасные и экономичные проточные аккумуляторные батареи могут сыграть огромную роль в нашем переходе от ископаемого топлива к возобновляемой электроэнергии.
Я рад, что у нас есть хороший шанс».Помимо Азиза, Маршака, Аспуру-Гузика и Гордона, со-ведущим автором статьи в Nature был Брайан Хускинсон, аспирант Азиза; среди соавторов были научный сотрудник Чангвон Су и постдокторант Сулейман Эр из группы Аспуру-Гузик; Майкл Герхардт, аспирант Азиза; Купер Гэлвин, студент колледжа Помона; и Сюйдун Чен, научный сотрудник группы Гордона.
Эта работа была частично поддержана Агентством перспективных исследований Министерства энергетики США (ARPA-E), Гарвардской школой инженерных и прикладных наук, Национальным научным фондом (NSF) Extreme Science and Engineering Discovery Environment (OCI-1053575). ), стипендии для аспирантов NSF и программы стипендий для молодых ученых-энергетиков Фонда фундаментальных исследований материи, который является частью Нидерландской организации научных исследований (NWO).