Para peneliti di Sandia National Laboratories telah merancang kelas baru baterai natrium cair untuk penyimpanan energi skala jaringan. Baterai natrium cair telah digunakan selama bertahun-tahun untuk menyimpan energi dari sumber terbarukan, seperti panel surya dan turbin angin. Namun, baterai natrium cair yang tersedia secara komersial, yang disebut baterai natrium-sulfur, biasanya beroperasi pada suhu 520-660 derajat Fahrenheit. Baterai natrium-iodida cair baru Sandia beroperasi pada suhu 230 derajat Fahrenheit yang jauh lebih dingin.
“Kami telah bekerja untuk menurunkan suhu operasi baterai natrium cair serendah mungkin secara fisik,” kata Leo Small, peneliti utama proyek tersebut. “Ada keseluruhan penghematan biaya yang terjadi seiring dengan penurunan suhu baterai. Anda bisa menggunakan bahan yang lebih murah. Baterai membutuhkan lebih sedikit insulasi dan kabel yang menghubungkan semua baterai bisa jauh lebih tipis.”
Namun, kimia baterai yang bekerja pada 550 derajat tidak bekerja pada 230 derajat, tambahnya. Di antara inovasi besar yang memungkinkan suhu operasi yang lebih rendah ini adalah pengembangan dari apa yang dia sebut katolit. Katolit adalah campuran cair dari dua garam, dalam hal ini, natrium iodida dan galium klorida.
Dasar-dasar membangun baterai yang lebih baik
Baterai timbal-asam dasar, yang biasa digunakan sebagai baterai pengapian mobil, memiliki pelat timbal dan pelat timbal dioksida dengan elektrolit asam sulfat di tengahnya. Saat energi dikeluarkan dari baterai, pelat timbal bereaksi dengan asam sulfat untuk membentuk timbal sulfat dan elektron. Elektron ini menyalakan mobil dan kembali ke sisi lain baterai, di mana pelat timbal dioksida menggunakan elektron dan asam sulfat untuk membentuk timbal sulfat dan air. Untuk baterai natrium cair baru, pelat timbal diganti dengan logam natrium cair, dan pelat timbal dioksida diganti dengan campuran cair natrium iodida dan sejumlah kecil galium klorida, kata Erik Spoerke, seorang ilmuwan material yang telah bekerja. pada baterai natrium cair selama lebih dari satu dekade.
Ketika energi dikeluarkan dari baterai baru, logam natrium menghasilkan ion natrium dan elektron. Di sisi lain, elektron mengubah yodium menjadi ion iodida. Ion natrium bergerak melintasi pemisah ke sisi lain di mana mereka bereaksi dengan ion iodida untuk membentuk garam natrium iodida cair. Alih-alih elektrolit asam sulfat, bagian tengah baterai adalah pemisah keramik khusus yang memungkinkan hanya ion natrium yang bergerak dari sisi ke sisi, tidak ada yang lain.
"Dalam sistem kami, tidak seperti baterai lithium ion, semuanya cair di kedua sisinya," kata Spoerke. “Itu berarti kita tidak harus berurusan dengan masalah seperti material yang mengalami perubahan fase yang kompleks atau berantakan; itu semua cair. Pada dasarnya, baterai berbasis cairan ini tidak memiliki masa pakai yang terbatas seperti baterai lainnya.”
Faktanya, baterai natrium cair komersial memiliki masa pakai 10 hingga 15 tahun, jauh lebih lama daripada baterai timbal-asam standar atau baterai lithium ion.
Baterai tahan lama yang lebih aman
Baterai natrium-iodida skala lab kecil milik Sandia diuji selama delapan bulan di dalam oven. Martha Gross, seorang peneliti pascadoktoral yang telah mengerjakan tes laboratorium selama dua tahun terakhir, melakukan eksperimen pengisian dan pengosongan baterai lebih dari 400 kali selama delapan bulan.
Karena pandemi COVID-19, mereka harus menghentikan percobaan selama sebulan dan membiarkan natrium cair dan katolit mendingin hingga suhu kamar dan membeku, katanya. Gross senang bahwa setelah memanaskan baterai, itu masih berfungsi.
Artinya, jika terjadi gangguan energi skala besar, seperti yang terjadi di Texas pada bulan Februari, baterai natrium-iodida dapat digunakan, dan kemudian dibiarkan dingin hingga membeku. Setelah gangguan selesai, mereka dapat dipanaskan, diisi ulang dan kembali ke operasi normal tanpa proses start-up yang panjang atau mahal, dan tanpa degradasi kimia internal baterai, tambah Spoerke.
Baterai natrium-iodida juga lebih aman. Spoerke berkata, “Baterai lithium ion terbakar ketika ada kegagalan di dalam baterai, yang menyebabkan baterai terlalu panas. Kami telah membuktikan itu tidak dapat terjadi dengan kimia baterai kami. Baterai kami, jika Anda melepas pemisah keramik, dan membiarkan logam natrium bercampur dengan garam, tidak akan terjadi apa-apa. Tentu saja, baterai berhenti bekerja, tetapi tidak ada reaksi kimia atau kebakaran yang hebat.”
Jika api luar menelan baterai natrium-iodida, kemungkinan baterai akan retak dan gagal, tetapi seharusnya tidak menambahkan bahan bakar ke api atau menyebabkan kebakaran natrium, Small menambahkan.
Selain itu, pada 3.6 volt, baterai natrium-iodida baru memiliki pengoperasian 40% lebih tinggi tegangan daripada baterai natrium cair komersial. Tegangan ini mengarah pada kepadatan energi yang lebih tinggi, dan itu berarti bahwa baterai masa depan potensial yang dibuat dengan bahan kimia ini akan membutuhkan lebih sedikit sel, lebih sedikit koneksi antar sel, dan biaya unit keseluruhan yang lebih rendah untuk menyimpan jumlah listrik yang sama, kata Small.
“Kami sangat bersemangat tentang berapa banyak energi yang berpotensi kami masukkan ke dalam sistem karena katolit baru yang kami laporkan dalam makalah ini,” tambah Gross. “Baterai natrium cair telah ada selama beberapa dekade, dan mereka ada di seluruh dunia, tetapi tidak ada yang pernah membicarakannya. Jadi, bisa menurunkan suhu dan kembali dengan beberapa angka dan berkata, 'ini adalah sistem yang sangat, sangat layak' cukup rapi.”
Masa depan baterai natrium-iodida
Langkah selanjutnya untuk proyek baterai natrium-iodida adalah terus menyempurnakan dan menyempurnakan kimia katolit untuk menggantikan komponen galium klorida, kata Small. Gallium klorida sangat mahal, lebih dari 100 kali lebih mahal dari garam meja.
Tim juga sedang mengerjakan berbagai perubahan teknis untuk mengisi dan mengosongkan baterai lebih cepat dan lebih penuh, tambah Spoerke. Salah satu modifikasi yang diidentifikasi sebelumnya untuk mempercepat pengisian baterai adalah dengan melapisi sisi natrium cair dari pemisah keramik dengan lapisan tipis timah.
Spoerke menambahkan bahwa kemungkinan akan memakan waktu lima hingga 10 tahun untuk membawa baterai natrium-iodida ke pasar, dengan sebagian besar tantangan yang tersisa adalah tantangan komersialisasi, bukan tantangan teknis.
"Ini adalah demonstrasi pertama dari siklus stabil jangka panjang dari baterai natrium cair suhu rendah," kata Spoerke. “Keajaiban dari apa yang telah kami kumpulkan adalah bahwa kami telah mengidentifikasi kimia garam dan elektrokimia yang memungkinkan kami untuk beroperasi secara efektif pada 230 derajat Fahrenheit. Konfigurasi natrium-iodida suhu rendah ini adalah semacam penemuan kembali apa artinya memiliki baterai natrium cair.”
Pengembangan baterai natrium baru ini didukung oleh Kantor Departemen Energi Listrik Program Penyimpanan Energi.