صمم باحثون في مختبرات سانديا الوطنية فئة جديدة من بطاريات الصوديوم المنصهرة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. تم استخدام بطاريات الصوديوم المنصهرة لسنوات عديدة لتخزين الطاقة من مصادر متجددة ، مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح. ومع ذلك ، فإن بطاريات الصوديوم المنصهرة المتاحة تجاريًا ، والتي تسمى بطاريات الصوديوم الكبريتية ، تعمل عادةً عند درجة حرارة 520-660 درجة فهرنهايت. تعمل بطارية يوديد الصوديوم المنصهرة الجديدة من سانديا بدرجة حرارة أكثر برودة تبلغ 230 درجة فهرنهايت بدلاً من ذلك.
قال ليو سمول ، الباحث الرئيسي في المشروع: "لقد عملنا على خفض درجة حرارة التشغيل لبطاريات الصوديوم المنصهرة إلى أدنى مستوى ممكن فيزيائيًا". "هناك وفورات متتالية في التكاليف تأتي جنبًا إلى جنب مع خفض درجة حرارة البطارية. يمكنك استخدام مواد أقل تكلفة. تحتاج البطاريات إلى عزل أقل ويمكن أن تكون الأسلاك التي تربط جميع البطاريات أرق كثيرًا ".
لكنه أضاف أن كيمياء البطارية التي تعمل عند 550 درجة لا تعمل عند 230 درجة. كان من بين الابتكارات الرئيسية التي سمحت بدرجة حرارة التشغيل المنخفضة هذه تطوير ما يسميه بالكاثوليت. الكاثوليت هو خليط سائل من أملاحين ، في هذه الحالة ، يوديد الصوديوم وكلوريد الغاليوم.
أساسيات بناء بطاريات أفضل
تحتوي بطارية الرصاص الحمضية الأساسية ، التي يشيع استخدامها كبطارية اشتعال للسيارة ، على لوحة من الرصاص ولوحة من ثاني أكسيد الرصاص مع إلكتروليت حامض الكبريتيك في المنتصف. عندما يتم تفريغ الطاقة من البطارية ، تتفاعل لوحة الرصاص مع حامض الكبريتيك لتكوين كبريتات الرصاص والإلكترونات. تبدأ هذه الإلكترونات السيارة وتعود إلى الجانب الآخر من البطارية ، حيث تستخدم لوحة ثاني أكسيد الرصاص الإلكترونات وحمض الكبريتيك لتكوين كبريتات الرصاص والماء. بالنسبة لبطارية الصوديوم المصهور الجديدة ، يتم استبدال لوحة الرصاص بمعدن صوديوم سائل ، ويتم استبدال صفيحة ثاني أكسيد الرصاص بمزيج سائل من يوديد الصوديوم وكمية صغيرة من كلوريد الغاليوم ، كما قال إريك سبورك ، عالم المواد الذي كان يعمل. على بطاريات الصوديوم المنصهرة لأكثر من عقد من الزمان.
عندما يتم تفريغ الطاقة من البطارية الجديدة ، ينتج معدن الصوديوم أيونات الصوديوم والإلكترونات. على الجانب الآخر ، تحول الإلكترونات اليود إلى أيونات يوديد. تتحرك أيونات الصوديوم عبر فاصل إلى الجانب الآخر حيث تتفاعل مع أيونات اليوديد لتكوين ملح يوديد الصوديوم المنصهر. بدلاً من إلكتروليت حامض الكبريتيك ، يكون منتصف البطارية عبارة عن فاصل خزفي خاص يسمح فقط لأيونات الصوديوم بالانتقال من جانب إلى آخر ، ولا شيء آخر.
قال سبويرك: "في نظامنا ، على عكس بطارية أيون الليثيوم ، كل شيء سائل على الجانبين". "هذا يعني أننا لسنا مضطرين للتعامل مع قضايا مثل المواد التي تمر بمرحلة تغييرات معقدة أو تنهار ؛ كلها سائلة. بشكل أساسي ، لا تتمتع هذه البطاريات القائمة على السوائل بعمر محدود مثل العديد من البطاريات الأخرى ".
في الواقع ، عمر بطاريات الصوديوم المنصهرة التجارية من 10 إلى 15 عامًا ، وهي أطول بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية القياسية أو بطاريات الليثيوم أيون.
بطاريات طويلة الأمد أكثر أمانًا
تم اختبار بطارية يوديد الصوديوم الصغيرة الحجم في مختبر سانديا لمدة ثمانية أشهر داخل الفرن. مارثا جروس ، باحثة ما بعد الدكتوراه التي عملت في الاختبارات المعملية على مدار العامين الماضيين ، أجرت تجارب لشحن البطارية وتفريغها أكثر من 400 مرة خلال تلك الأشهر الثمانية.
وقالت إنه بسبب جائحة COVID-19 ، اضطروا إلى إيقاف التجربة لمدة شهر وترك الصوديوم المنصهر والكاثوليت يبردان إلى درجة حرارة الغرفة ويتجمدان. كان جروس سعيدًا لأنه بعد تسخين البطارية ، لا تزال تعمل.
هذا يعني أنه في حالة حدوث اضطراب كبير في الطاقة ، مثل ما حدث في تكساس في فبراير ، يمكن استخدام بطاريات يوديد الصوديوم ، ثم تركها تبرد حتى تجمد. وأضاف Spoerke أنه بمجرد انتهاء الانقطاع ، يمكن تسخينها وإعادة شحنها وإعادتها إلى التشغيل الطبيعي دون الحاجة إلى عملية بدء طويلة أو مكلفة ، ودون تدهور الكيمياء الداخلية للبطارية.
بطاريات يوديد الصوديوم أكثر أمانًا أيضًا. قال Spoerke ، "تشتعل بطارية ليثيوم أيون عندما يكون هناك عطل داخل البطارية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية. لقد أثبتنا أن ذلك لا يمكن أن يحدث مع كيمياء البطاريات لدينا. بطاريتنا ، إذا كنت تريد إخراج فاصل السيراميك ، والسماح لمعدن الصوديوم بالخلط مع الأملاح ، فلن يحدث شيء. بالتأكيد ، تتوقف البطارية عن العمل ، لكن لا يوجد تفاعل كيميائي عنيف أو حريق ".
وأضاف سمول أنه إذا ابتلع حريق خارجي بطارية يوديد الصوديوم ، فمن المحتمل أن تتصدع البطارية وتفشل ، لكن لا ينبغي أن يضيف الوقود إلى النار أو يتسبب في حريق الصوديوم.
بالإضافة إلى ذلك ، عند 3.6 فولت ، تعمل بطارية يوديد الصوديوم الجديدة بنسبة 40٪ أعلى الجهد االكهربى من بطارية الصوديوم المنصهرة التجارية. هذا الجهد يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى ، وهذا يعني أن البطاريات المستقبلية المحتملة المصنوعة بهذه الكيمياء ستحتاج إلى عدد أقل من الخلايا ، ووصلات أقل بين الخلايا ، وتكلفة وحدة أقل إجمالية لتخزين نفس الكمية من الكهرباء ، كما قال سمول.
وأضاف جروس: "لقد كنا متحمسين حقًا بشأن مقدار الطاقة التي يمكن أن نحشرها في النظام بسبب الهيكل الكاثوليكي الجديد الذي نُبلغ عنه في هذه الورقة". "بطاريات الصوديوم المنصهرة موجودة منذ عقود ، وهي منتشرة في جميع أنحاء العالم ، لكن لم يتحدث عنها أحد على الإطلاق. لذا ، فإن القدرة على خفض درجة الحرارة والعودة ببعض الأرقام والقول ، "هذا حقًا ، نظام قابل للتطبيق حقًا" أمر رائع. "
مستقبل بطاريات يوديد الصوديوم
قال سمول إن الخطوة التالية لمشروع بطارية يوديد الصوديوم هي الاستمرار في ضبط وتحسين كيمياء الكاثوليوم لتحل محل مكون كلوريد الغاليوم. كلوريد الغاليوم مكلف للغاية ، أكثر من 100 مرة من ملح الطعام.
وأضاف Spoerke أن الفريق يعمل أيضًا على تعديلات هندسية مختلفة لجعل البطارية تشحن وتفريغها بشكل أسرع وبشكل كامل. كان أحد التعديلات التي تم تحديدها سابقًا لتسريع شحن البطارية هو طلاء جانب الصوديوم المنصهر من الفاصل الخزفي بطبقة رقيقة من القصدير.
أضاف Spoerke أنه من المحتمل أن يستغرق الأمر من خمس إلى 10 سنوات لطرح بطاريات يوديد الصوديوم في السوق ، مع كون معظم التحديات المتبقية هي تحديات التسويق ، بدلاً من التحديات التقنية.
قال سبوركي: "هذا هو أول دليل على دورة طويلة الأمد ومستقرة لبطارية الصوديوم المنصهر ذات درجة الحرارة المنخفضة". "سحر ما وضعناه معًا هو أننا حددنا كيمياء الملح والكيمياء الكهربية التي تسمح لنا بالعمل بفعالية عند 230 درجة فهرنهايت. يعد تكوين يوديد الصوديوم منخفض الحرارة نوعًا ما إعادة ابتكار لما يعنيه امتلاك بطارية صوديوم منصهرة ".
تم تطوير بطارية الصوديوم الجديدة بدعم من مكتب وزارة الطاقة كهرباء برنامج تخزين الطاقة.