Forskare vid Penn State tittar på innovativa sätt att förbättra energilagring i ett försök att bättre utnyttja förnybar energiteknik.

"Ett av de främsta hindren som hindrar oss från att förlita oss mycket på förnybara energisystem är att vi inte kan reglera när de ger oss ström, "sade Derek Hall, biträdande professor i energiteknik vid Penn State. "Helst, vi vill hitta någon form av energilagringsteknik som kan komplettera förnybara energikällor för att hjälpa oss att övergå till en mer hållbar energiinfrastruktur. "

Förnybara energisystem, som vind och sol, kan producera tillräckligt med el för att driva hela samhällen. Dock, de förlitar sig på naturliga processer för att producera den el som behövs, och naturen kan vara oförutsägbar. Detta resulterar i ebbs och flöden i förnybar elproduktion. Ibland, vind och sol kan producera mer än nätet klarar, driva elpriserna till det negativa. Alternativt, om vinden stannar eller det är en period med dåligt väder, produktionsstopp och priserna skjuter i höjden.

Detta fenomen inspirerade Hall att börja utforska mer kostnadseffektiva, energilagringsstrategier genom flera samarbetsprojekt i Penn State.

Förbättra batterikemi

Hall, tillsammans med Christopher Gorski, docent i miljöteknik, och Serguei Lvov, professor i energi- och mineralteknik och materialvetenskap och teknik och direktör för programmet Elektrokemiska teknologier vid EMS Energy Institute, använder ligandkemi för att förbättra den elektrokemiska prestandan hos billigare batterikemier, tack vare bidrag från Institutes of Energy and the Environment (IEE) och Material Research Institute.

"Målet är att försöka hitta billigare material att göra batterier med, "Sa Hall." Det främsta hindret som hindrar oss är att de flesta billiga material har liten energilagringstäthet, vilket leder till dålig batteriprestanda. "

Ligander är joner eller molekyler som binder till en central metall. De används vanligtvis i naturen och biomimetiska processer för att ändra metallreaktivitet, men de har inte tidigare använts i flödesbatterier. Forskarna använder material som koppar, järn och krom, som är billigare än traditionella material som litium, kobolt och vanadin, och para dem med ligander i ett försök att avsevärt minska kapitalkostnaderna i samband med att producera batterier.

Teamet kommer sedan att utföra experiment för att identifiera om metall-ligandkomplexen uppnår hög energilagringstäthet. De kommer att göra detta i tre steg:termodynamisk, kinetisk, och fullständig celltestning. I varje steg, olika viktiga parametrar kommer att testas för ett typiskt redoxflödesbatteri. Den termodynamiska fasen kommer att utforska hur liganderna påverkar elektrodpotentialen, då kommer den kinetiska fasen att testa hur mycket elektrisk ström som kan utnyttjas. Till sist, forskarna kommer att testa alla komponenter tillsammans för att se hur de fungerar tillsammans.

"Många delar av den här historien saknas fortfarande, så detta kommer i stort sett att vara ett grundläggande forskningsprojekt, "Sa Hall." Det finns ingen verklig enhetlig teori som förklarar hur ligander påverkar elektrokemiska reaktioner. "

Forskarna hoppas att detta projekt, med titeln "New Low-Cost Flow Battery Chemistries via Ligand- Enhanced Redox Reactions, "kommer att ge preliminära resultat som behövs för att driva större bidrag som syftar till att utveckla nya flödesbatterikemikalier och få grundläggande insikter om varför och hur ligander förändrar metallkomplexens reaktivitet.

"Vi måste börja utforska alla våra alternativ för energilagring eftersom övergången av vår infrastruktur till förnybar energi är en stor övergång som är tidskänslig, "Sa Hall." När vi byggde vår infrastruktur för fossila bränslen, vi gjorde det under många decennier. Nu måste vi ta reda på vilka de bästa alternativen, eller de mest funktionella valen, är, och sedan bygga en hel del av det verkligen snart. "

Omvandla spillvärme till kraft

Hall arbetar också med Bruce Logan, professor i miljöteknik, och Matthew Rau, biträdande professor i maskinteknik, på forskning som finansieras genom ett annat fröbidrag som syftar till att förbättra prestanda och effektutbyte för flödesbatterier som laddas med spillvärme snarare än el.

"Om vi ​​kunde hitta ett sätt att omdirigera spillvärme till el, även om det är en liten summa på begäran, detta kan bidra till att minska vårt behov av mer elproduktion, "Sa Hall.

Som med Halls andra projekt, detta team använder en typ av flödesbatteriteknik, men med en unik termisk laddningsmetod. Projektet, med titeln "Öka effekttätheten och cykeleffektiviteten hos nya, Termiskt laddade flödesbatterier med hjälp av avancerade flödescelltopologier, "kommer att försöka förbättra effekttätheten genom distinkta batteriflödesdesigner. De kommer att göra detta genom beräkningsmodellering med COMSOL Multiphysics -programvara.

"Tekniken vi arbetar med använder en specifik kemisk sammansättning där du kan ladda den kemiska reaktionen med hjälp av spillvärme istället för el, "Sa Rau.

I ett traditionellt batteri, en kemisk reaktion skapar urladdningspotentialen, generera el. När processen är omvänd för att ladda batteriet, viss el måste användas för att göra det. För denna nya teknik, forskarna kommer att ladda batteriet genom att separera två kemikalier med hjälp av spillvärme. När dessa kemikalier kombineras igen, de kommer att skapa en kemisk reaktion som genererar elektricitet, vilket eliminerar behovet av att använda ytterligare elektricitet för att ladda batteriet.

"Detta skulle vara en konkurrerande teknik för de traditionella energilagringsmetoderna, såsom litiumjonbatterier, men unikt i det faktum att det inte kräver elektricitet, "Sa Rau." Det kräver värme att ladda, så vi öppnar i huvudsak en ny resurs som potentiellt kan driva industriprocesser eller en del av elnätet. "

Grundidén har varit ungefär fem år, Rau sa, men forskarna försöker förbättra grundmodellens prestanda, så att det kan bli kommersiellt gångbart.

"Att utveckla denna teknik kommer inte att vara lätt, "sa han." Dessa batterier flödar elektrolyter genom porösa elektroder. Vätskeflödet ensamt är tillräckligt komplicerat för att modellera utan att ens tänka på att de kemiska reaktionerna också inträffar. Vi utvecklar expertisen för att exakt modellera hur vätskeflödet i dessa batterier påverkar de olika kemiska reaktionerna och slutligen hur dessa parametrar relaterar till batteriets effekt. "

Forskarna är hoppfulla att preliminära experiment som gjorts innan denna studie startat har gett dem de verktyg som behövs för att lyckas.

"Vi har för närvarande liten användning för spillvärme i industrin och för kraftproduktion, "Sa Rau." Det kastas bara med kylvattnet eller spyds ut i atmosfären i en avgasstapel. Om vi ​​faktiskt kan utnyttja det spillvärme, vi kommer att öka energieffektiviteten i många olika branscher. "

Dessa projekt illustrerar behovet av att utveckla storskaliga, energilagringsteknik som passar bra med förnybar energiteknik, Sa Hall.

"Det kommer inte att finnas en lösning som bara vinner, "tillade han." Det kommer sannolikt att bli en blandning. Det är typ av en allt-i-hands-on-deck-situation. Vi vet verkligen inte vilket som kommer att träna eller när det kommer att behövas, så jag tror att utforska flera alternativ är den bästa vägen framåt. "