En låg kostnad, Högpresterande batterikemi utvecklad av University of Colorado Boulder-forskare kan en dag leda till skalbar lagring på nätnivå för vind- och solenergi som kan hjälpa elföretag att minska sitt beroende av fossila bränslen.

Den nya innovationen, beskrivs idag i journalen Joule , beskriver två vattenflödesbatterier, även kända som redoxflödesbatterier, som använder krom och organiska bindemedel för att uppnå exceptionell spänning och hög effektivitet. Komponenterna är rikliga i naturen, erbjuder framtida löfte för kostnadseffektiv tillverkning.

"Vi är glada över att kunna rapportera några av de bästa batterikemierna någonsin, bortom tidigare gränser, sa Michael Marshak, senior författare till studien och en biträdande professor vid CU Boulders institution för kemi. "Materialen är låga, giftfri och lättillgänglig."

Förnybara energikällor utgör en växande andel av USA:s elproduktion, men saknar för närvarande en storskalig lösning för att lagra avverkad energi och återanvända den för att möta efterfrågan under perioder när solen inte skiner och vinden inte blåser.

"Det finns brister mellan utbud och efterfrågan på energinätet under dagen, sa Marshak, som också är fellow i Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI). "Solen kan möta nätets behov på morgonen, men efterfrågan tenderar att toppa sent på eftermiddagen och fortsätta in på kvällen efter att solen gått ner. Just nu, energibolag måste fylla det gapet genom att snabbt få fart på sin kol- och naturgasproduktion, precis som du skulle ta en bil från noll till sextio."

Även om litiumjon kan ge kraft för tillämpningar i mindre skala, du skulle behöva miljontals batterier för att backa till och med ett litet fossilbränslekraftverk i en timme, säger Marshak. Men medan litiumjonkemin är effektiv, den är illa lämpad för att möta kapaciteten hos ett helt vindkraftsfält eller solpaneler.

"Det grundläggande problemet med litiumjonbatterier är att de inte skala särskilt bra, " sa Marshak. "Ju mer fast material du lägger till, ju mer motstånd du lägger till och sedan måste alla andra komponenter öka samtidigt. Så i huvudsak, om du vill ha dubbelt så mycket energi, du behöver bygga dubbelt så många batterier och det är helt enkelt inte kostnadseffektivt när du pratar om så här många megawattimmar."

Flödesbatterier har identifierats som en mer lovande väg. Vattenbaserade batterier håller sina aktiva ingredienser separerade i flytande form i stora tankar, tillåta systemet att distribuera energi på ett hanterat sätt, liknar hur en bensintank ger en jämn bränsleförbränning till en bils motor när du trycker på pedalen.

Även om det finns några exempel på flödesbatterier som fungerar konsekvent i årtionden (som i Japan), de har kämpat för att få ett brett fotfäste i kommersiell och kommunal verksamhet delvis på grund av sin otympliga storlek, höga driftskostnader och jämförbart låg spänning.

"Storleken är mindre av ett problem för system i nätskala, eftersom det bara skulle fästas på en redan stor struktur, "Sade Marshak." Det viktiga är kostnaden, och det var det vi ville förbättra."

Forskarna gick tillbaka till grunderna, att ompröva flödesbatteriets kemi som hade studerats för flera år sedan, men övergiven. Nyckeln visade sig vara att kombinera organiska bindemedel, eller kelater, med kromjoner för att stabilisera en potent elektrolyt.

"Vissa människor har tagit detta tillvägagångssätt tidigare, men hade inte ägnat tillräcklig uppmärksamhet åt bindemedlen, "sa Brian Robb, huvudförfattare till den nya studien och doktorand vid Institutionen för kemi- och biologisk teknik (CHBE). "Du måste skräddarsy kelatet för metalljonen och vi gjorde mycket arbete för att hitta den rätta som skulle binda dem hårt."

Marshak, Robb och medförfattare Jason Farrell anpassat kelat som kallas PDTA skapar en "sköld" runt kromelektronen, förhindrar att vatten hindrar reaktanten och låter en av battericellerna sprida 2,13 volt – nästan dubbelt så mycket som det operativa genomsnittet för ett flödesbatteri.

PDTA är en spinoff av EDTA, ett medel som redan använts i handtvål, livsmedelskonserveringsmedel och kommunala vattenbehandlingar på grund av dess bakteriehämmande egenskaper. EDTA anses vara giftfritt. Kemin använder också den godartade formen av krom, samma typ som används i kirurgiska instrument av rostfritt stål.

"Vi fick det här att fungera vid det relativt neutrala pH-värdet på 9, till skillnad från andra batterier som använder mycket frätande syra som är svår att arbeta med och som är svår att hantera på ett ansvarsfullt sätt, "Sa Robb. "Det här är mer besläktat med tvättmedel."

"Du kan beställa 15 ton av dessa material i morgon om du vill, eftersom det finns befintliga fabriker som redan tillverkar dem, " tillade Marshak.

Marshak and Robb have filed a patent on the innovation with assistance from CU Boulder Venture Partners. They plan to continue optimizing their system, 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."