Stanford-forskare har utvecklat ett vattenbaserat batteri som kan ge ett billigt sätt att lagra vind- eller solenergi som genereras när solen skiner och vinden blåser så att den kan matas tillbaka till elnätet och omfördelas när efterfrågan är stor.

Prototypen av mangan-vätebatteri, rapporterade idag i Naturenergi , är bara tre tum hög och genererar bara 20 milliwattimmar el, vilket är i nivå med energinivåerna för LED-ficklampor kan man hänga en nyckelring.

Trots prototypens ringa produktion, forskarna är övertygade om att de kan ta denna bordsteknik upp till ett system av industriell kvalitet som kan ladda och ladda upp till 10, 000 gånger, skapa ett batteri i nätskala med en användbar livslängd långt över ett decennium.

Yi Cui, professor i materialvetenskap vid Stanford och senior författare på tidningen, Mangan-vätebatteritekniken kan vara en av de saknade bitarna i landets energipussel – ett sätt att lagra oförutsägbar vind- eller solenergi för att minska behovet av att bränna pålitliga men koldioxidutsläppande fossila bränslen när de förnybara källorna inte är det. tillgängliga.

"Vad vi har gjort är att kasta ett speciellt salt i vatten, tappade i en elektrod, och skapade en reversibel kemisk reaktion som lagrar elektroner i form av vätgas, sa Cui.

Smart kemi

Teamet som skapade konceptet och byggde prototypen leddes av Wei Chen, en postdoktor i Cuis labb. I huvudsak lyckades forskarna med ett reversibelt elektronutbyte mellan vatten och mangansulfat, en billig, rikligt med industrisalt som används för att tillverka torrcellsbatterier, gödselmedel, papper och andra produkter.

För att efterlikna hur en vind- eller solkälla kan mata ström till batteriet, forskarna kopplade en strömkälla till prototypen. Elektronerna som strömmade in reagerade med mangansulfatet löst i vattnet för att lämna partiklar av mangandioxid att klänga fast vid elektroderna. Överskott av elektroner bubblade av som vätgas och lagrade den energin för framtida bruk. Ingenjörer vet hur man återskapar elektricitet från energin som lagras i vätgas, så det viktiga nästa steget var att bevisa att det vattenbaserade batteriet kan laddas.

Forskarna gjorde detta genom att återansluta sin strömkälla till den utarmade prototypen, denna gång med målet att få mangandioxidpartiklarna som klamrar sig fast vid elektroden att kombineras med vatten, fylla på mangansulfatsaltet. När detta salt återställdes, inkommande elektroner blev överskott, och överskottskraft kan bubbla av som vätgas, i en process som kan upprepas igen och igen och igen.

Cui uppskattade att med tanke på det vattenbaserade batteriets förväntade livslängd, det skulle kosta en slant att lagra tillräckligt med el för att driva en 100 watts glödlampa i tolv timmar.

"Vi tror att denna prototypteknik kommer att kunna uppfylla Department of Energy (DOE) mål för praktisk elektrisk lagring i allmännyttiga skala, sa Cui.

DOE har rekommenderat att batterier för lagring i nätskala ska lagra och sedan ladda ur minst 20 kilowatt ström under en period av en timme, vara kapabel till minst 5, 000 laddningar, och har en 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 minister för energidepartementet och nobelpristagaren Steven Chu, nu professor vid Stanford, har ett långvarigt intresse av att uppmuntra teknik för att hjälpa landet att övergå till förnybar energi.

"Medan de exakta materialen och designen fortfarande behöver utvecklas, denna prototyp visar vilken typ av vetenskap och ingenjörskonst som föreslår nya sätt att uppnå låga kostnader, långvariga batterier i nyttoskala, " sa Chu, som inte ingick i forskargruppen.

Växlar bort från kol

Enligt DOE uppskattningar, cirka 70 procent av USA:s el genereras av kol- eller naturgasanläggningar, som står för 40 procent av koldioxidutsläppen. Att byta till vind- och solenergi är ett sätt att minska dessa utsläpp, men det skapar nya utmaningar som involverar variationen i strömförsörjningen. Mest uppenbart, solen skiner bara på dagen och, ibland, vinden blåser inte.

Men en annan mindre välförstådd men importform av variation kommer från ökningar av efterfrågan på nätet - det nätverket av högspänningsledningar som distribuerar elektricitet över regioner och i slutändan till hemmen. En varm dag, när folk kommer hem från jobbet och drar igång luftkonditioneringen, Verksamheter måste ha lastbalanserande strategier för att möta toppefterfrågan:något sätt att öka elproduktionen inom några minuter för att undvika strömavbrott eller strömavbrott som annars skulle kunna få ner elnätet.

Idag åstadkommer kraftverk ofta detta genom att starta on-demand eller "sändningsbara" kraftverk som kan stå stilla en stor del av dagen, men kan komma online inom några minuter - producerar snabb energi men ökar koldioxidutsläppen. Vissa företag har utvecklat kortsiktig lastbalansering som inte är beroende av fossilbränsleförbränningsanläggningar. Den vanligaste och mest kostnadseffektiva strategin är pumpad vattenkraftslagring:att använda överskottskraft för att skicka vatten uppför, sedan låta den rinna tillbaka ner för att generera energi under toppbehov. Dock, vattenkraftslagring fungerar bara i regioner med vattnet och utrymmet, så för att göra vind och sol mer användbar har DOE uppmuntrat högkapacitetsbatterier som ett alternativ.

Hög kapacitet, låg kostnad

Cui sa att det finns flera typer av laddningsbara batterier på marknaden, men det är inte klart vilka tillvägagångssätt som kommer att uppfylla DOE-kraven och bevisa att de är praktiska för verktygen, tillsynsmyndigheter och andra intressenter som underhåller landets elnät.

Till exempel, Cui sa uppladdningsbara litiumjonbatterier, som lagrar de små mängder energi som behövs för att driva telefoner och bärbara datorer, är baserade på sällsynta material och är därför för dyra för att lagra ström för en stadsdel eller stad. Cui sa att lagring i nätskala kräver en låg kostnad, hög kapacitet, uppladdningsbart batteri och mangan-väte-processen verkar lovande.

"Andra uppladdningsbara batteriteknologier är lätt mer än 5 gånger så mycket som kostnaden under livstiden, " tillade Cui.

Chen sa ny kemi, lågkostnadsmaterial och relativ enkelhet gjorde mangan-vätebatteriet idealiskt för lågkostnadsinstallation i nätskala.

"Genombrottet rapporterar vi i Naturenergi har potential att uppfylla DOE:s kriterier i rutnätsskala, " sa Chen.

Prototypen behöver utvecklingsarbete för att bevisa sig själv. För det första använder den platina som en katalysator för att stimulera de avgörande kemiska reaktionerna vid elektroden som gör laddningsprocessen effektiv, och kostnaden för den komponenten skulle vara oöverkomlig för storskalig utbyggnad. Men Chen sa att teamet redan arbetar på billigare sätt att locka mangansulfatet och vattnet för att utföra det reversibla elektronutbytet.

"Vi har identifierat katalysatorer som kan föra oss under DOE-målet på 100 USD per kilowattimme, " han sa.

Forskarna rapporterade att de gjorde 10, 000 laddningar av prototyperna, vilket är två gånger DOE-kraven, men säg att det kommer att bli nödvändigt att testa mangan-väte-batteriet under faktiska lagringsförhållanden för elnätet för att verkligen bedöma dess livstidsprestanda och kostnad.

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

Yi Cui är också professor i Photon Science Directorate vid SLAC National Accelerator Laboratory, och en senior stipendiat vid Precourt Institute for Energy, medlem av Stanford Bio-X och Stanford Neurosciences Institute. Ytterligare medförfattare inkluderar Guodong Li, gästforskare i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och nu med den kinesiska vetenskapsakademin; postdoktorer Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen och Jiangyan Wang; gästforskare Hao Zhang; och doktorander Zheng Liang, Yuzhang Li och Allen Pei.