Hur lagrar du förnybar energi så att den finns där när du behöver den, även när solen inte skiner eller vinden inte blåser? Jättebatterier designade för elnätet – så kallade flödesbatterier, som lagrar elektricitet i tankar med flytande elektrolyt - kan vara svaret, men hittills har bolagen ännu inte hittat ett kostnadseffektivt batteri som tillförlitligt kan driva tusentals hem under en livscykel på 10 till 20 år.

Nu, en batterimembranteknologi utvecklad av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan peka på en lösning.

Som rapporterats i tidskriften av Joule , forskarna utvecklade ett mångsidigt men ändå prisvärt batterimembran – från en klass av polymerer som kallas AquaPIM. Denna klass av polymerer gör långvariga och billiga nätbatterier möjliga baserade enbart på lättillgängliga material som zink, järn, och vatten. Teamet utvecklade också en enkel modell som visar hur olika batterimembran påverkar batteriets livslängd, som förväntas påskynda forskning och utveckling i ett tidigt skede för flödesbatteriteknologier, speciellt i sökandet efter ett lämpligt membran för olika batterikemi.

"Vår AquaPIM-membranteknologi är väl positionerad för att påskynda vägen till marknaden för flödesbatterier som använder skalbara, låg kostnad, vattenbaserad kemi, sa Brett Helms, en huvudutredare vid Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) och personalforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry som ledde studien. "Genom att använda vår teknik och medföljande empiriska modeller för batteriprestanda och livslängd, andra forskare kommer snabbt att kunna utvärdera beredskapen för varje komponent som går in i batteriet, från membranet till de laddningslagrande materialen. Detta borde spara tid och resurser för både forskare och produktutvecklare."

De flesta nätbatterier har mycket alkaliska (eller grundläggande) elektroder - en positivt laddad katod på ena sidan, och en negativt laddad anod på andra sidan. Men nuvarande toppmoderna membran är designade för sura kemi, såsom de fluorerade membranen som finns i bränsleceller, men inte för alkaliska batterier. (Inom kemi, pH är ett mått på vätejonkoncentrationen i en lösning. Rent vatten har ett pH på 7 och anses vara neutralt. Sura lösningar har en hög koncentration av vätejoner, och beskrivs som att de har ett lågt pH, eller ett pH under 7. Å andra sidan, alkaliska lösningar har låga koncentrationer av vätejoner och har därför ett högt pH, eller ett pH över 7. I alkaliska batterier, pH kan vara så högt som 14 eller 15.)

Fluorerade polymermembran är också dyra. Enligt Helms, de kan utgöra 15 % till 20 % av batteriets kostnad, som kan köras i intervallet $300/kWh.

Ett sätt att sänka kostnaden för flödesbatterier är att helt eliminera de fluorerade polymermembranen och komma med ett högpresterande men ändå billigare alternativ som AquaPIMs, sa Miranda Baran, en doktorandforskare i Helms forskargrupp och studiens huvudförfattare. Baran är också en Ph.D. student vid Institutionen för kemi vid UC Berkeley.

Återgå till grunderna

Helms och medförfattare upptäckte AquaPIM-teknologin - som står för "vattenkompatibla polymerer med inneboende mikroporositet" - samtidigt som de utvecklade polymermembran för vattenhaltiga alkaliska (eller grundläggande) system som en del av ett samarbete med medförfattaren Yet-Ming Chiang, en huvudforskare i JCESR och Kyocera professor i materialvetenskap och teknik vid Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Genom dessa tidiga experiment, forskarna lärde sig att membran som modifierats med en exotisk kemikalie som kallas "amidoxim" tillät joner att snabbt färdas mellan anoden och katoden.

Senare, samtidigt som man utvärderar AquaPIM-membranets prestanda och kompatibilitet med olika nätbatterier – till exempel, en experimentuppställning använde zink som anod och en järnbaserad förening som katod – forskarna upptäckte att AquaPIM-membran leder till anmärkningsvärt stabila alkaliska celler.

Dessutom, de fann att AquaPIM-prototyperna behöll integriteten hos de laddningslagrande materialen i katoden såväl som i anoden. När forskarna karakteriserade membranen vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), forskarna fann att dessa egenskaper var universella över AquaPIM-varianter.

Baran och hennes medarbetare testade sedan hur ett AquaPIM-membran skulle fungera med en vattenhaltig alkalisk elektrolyt. I detta experiment, de upptäckte att under alkaliska förhållanden, polymerbundna amidoximer är stabila - ett överraskande resultat med tanke på att organiska material vanligtvis inte är stabila vid högt pH.

Sådan stabilitet förhindrade AquaPIM-membranporerna från att kollapsa, vilket gör att de kan förbli ledande utan någon förlust i prestanda över tid, medan porerna i ett kommersiellt fluorpolymermembran kollapsade som förväntat, till nackdel för dess jontransportegenskaper, Helms förklarade.

Detta beteende bekräftades ytterligare med teoretiska studier av Artem Baskin, en postdoktor som arbetar med David Prendergast, som är tillförordnad chef för Berkeley Labs Molecular Foundry och en huvudutredare i JCESR tillsammans med Chiang och Helms.

Baskin simulerade strukturer av AquaPIM-membran med hjälp av beräkningsresurser vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) och fann att strukturen hos polymererna som utgör membranet var signifikant resistenta mot porkollaps under mycket grundläggande förhållanden i alkaliska elektrolyter.

Ett skärmtest för bättre batterier

Medan man utvärderar AquaPIM-membranets prestanda och kompatibilitet med olika nätbatterikemi, forskarna utvecklade en modell som kopplade batteriets prestanda till prestanda hos olika membran. Denna modell kan förutsäga livslängden och effektiviteten för ett flödesbatteri utan att behöva bygga en hel enhet. De visade också att liknande modeller kunde tillämpas på andra batterikemi och deras membran.

"Vanligtvis, du måste vänta veckor om inte månader för att ta reda på hur länge ett batteri kommer att hålla efter att ha monterat hela cellen. Genom att använda en enkel och snabb membranskärm, du kan minska det till några timmar eller dagar, " sa Helms.

Forskarna planerar nästa att applicera AquaPIM-membran över ett bredare spektrum av vattenflödesbatterikemi, från metaller och oorganiska ämnen till organiska ämnen och polymerer. De räknar också med att dessa membran är kompatibla med andra vattenhaltiga alkaliska zinkbatterier, inklusive batterier som använder antingen syre, manganoxid, eller metallorganiska ramverk som katod.

Forskare från Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Institute of Technology, och Istituto Italiano di Tecnologia deltog i studien.