חוקרים במעבדות הלאומיות של Sandia תכננו סוג חדש של סוללות נתרן מותכות לאחסון אנרגיה בקנה מידה רשת. סוללות נתרן מותכות משמשות במשך שנים רבות לאחסון אנרגיה ממקורות מתחדשים, כמו פאנלים סולאריים וטורבינות רוח. עם זאת, סוללות נתרן מותכות זמינות מסחרית, הנקראות סוללות נתרן-גופרית, פועלות בדרך כלל בטמפרטורות של 520-660 מעלות צלזיוס. סוללת הנתרן-יודיד המותכת החדשה של Sandia פועלת במקום קר יותר ב -230 מעלות צלזיוס.
"עבדנו להוריד את טמפרטורת ההפעלה של סוללות נתרן מותכות ככל האפשר מבחינה פיזית", אמר ליאו סמול, החוקר המוביל בפרויקט. "יש חיסכון שלל עלויות שמגיע יחד עם הורדת טמפרטורת הסוללה. אתה יכול להשתמש בחומרים פחות יקרים. הסוללות זקוקות פחות לבידוד והחיווט המחבר בין כל הסוללות יכול להיות הרבה יותר דק ".
עם זאת, כימיה של הסוללה שעובדת ב -550 מעלות לא עובדת ב -230 מעלות, הוסיף. בין החידושים העיקריים שאיפשרו את טמפרטורת ההפעלה הנמוכה יותר היה פיתוח מה שהוא מכנה קתוליט. קתוליט הוא תערובת נוזלית של שני מלחים, במקרה זה, נתרן יודיד וגליום כלורי.
יסודות בניית סוללות טובות יותר
לסוללה בסיסית של חומצה עופרת, המשמשת בדרך כלל כסוללת הצתה לרכב, יש לוחית עופרת וצלחת עופרת דו-חמצנית שבמרכזה אלקטרוליט חומצה גופרתית. כאשר האנרגיה מוזרמת מהסוללה, צלחת העופרת מגיבה עם חומצה גופרתית ויוצרת גופרת עופרת ואלקטרונים. אלקטרונים אלה מפעילים את המכונית וחוזרים לצד השני של הסוללה, שם לוחית העופרת הדו-חמצנית משתמשת באלקטרונים ובחומצה הגופרתית ליצירת גופרת עופרת ומים. עבור סוללת הנתרן המותכת החדשה, לוחית העופרת מוחלפת במתכת נתרן נוזלית, ואת צלחת העופרת הדו-חמצנית מחליפה תערובת נוזלית של נתרן יודיד וכמות קטנה של גליום כלוריד, אמר אריק ספורק, מדען חומרים שעבד. על סוללות נתרן מותכות במשך יותר מעשור.
כאשר אנרגיה מוזרמת מהסוללה החדשה, מתכת הנתרן מייצרת יוני נתרן ואלקטרונים. בצד השני, האלקטרונים הופכים יוד ליונים של יוד. יוני הנתרן עוברים על פני מפריד לצד השני שם הם מגיבים עם יוני היודיד ויוצרים מלח נתרן יודיד מותך. במקום אלקטרוליט חומצה גופרתית, אמצע הסוללה הוא מפריד קרמיקה מיוחד המאפשר לנוע רק ליוני נתרן מצד לצד, שום דבר אחר.
"במערכת שלנו, בניגוד לסוללת ליתיום יון, הכל נוזלי משני הצדדים," אמר ספרק. "זה אומר שאנחנו לא צריכים להתמודד עם נושאים כמו החומר שעובר שינויים מורכבים בשלב או התפרקות; הכל נוזלי. בעיקרון, לסוללות מבוססות נוזלים אלה אין חיים מוגבלים כמו סוללות רבות אחרות. "
למעשה, לסוללות נתרן מותכות מסחריות יש חיים של 10 עד 15 שנים, ארוכות משמעותית מסוללות עופרת חומצה רגילה או סוללות ליתיום יון.
סוללות ארוכות טווח שהן בטוחות יותר
סוללת הנתרן-יודיד בקנה מידה קטן במעבדה נבדקה במשך שמונה חודשים בתוך תנור. מרתה גרוס, חוקרת פוסט-דוקטורט שעבדה בבדיקות המעבדה בשנתיים האחרונות, ערכה ניסויים בטעינה ופריקה של הסוללה יותר מ -400 פעמים במשך שמונה החודשים האלה.
בגלל מגפת ה- COVID-19, הם נאלצו להשהות את הניסוי למשך חודש ולתת לנתרן המותך ולקתוליט להתקרר לטמפרטורת החדר ולהקפיא, לדבריה. גרוס היה מרוצה שאחרי שחימם את הסוללה, זה עדיין עבד.
משמעות הדבר היא שאם הייתה מתרחשת שיבוש אנרגיה רחב היקף, כמו מה שהתרחש בטקסס בפברואר, ניתן היה להשתמש בסוללות הנתרן-יודיד ואז לאפשר לה להתקרר עד להקפאה. לאחר שההפרעה הסתיימה, ניתן היה לחמם אותם, לטעון אותם ולהחזירם לפעולה רגילה ללא תהליך הפעלה ממושך או יקר, וללא השפלה בכימיה הפנימית של הסוללה, הוסיף ספורק.
סוללות נתרן יוד הן גם בטוחות יותר. Spoerke אמר, "סוללת ליתיום יון עולה באש כאשר יש תקלה בתוך הסוללה, מה שמוביל להתחממות יתר של הסוללה. הוכחנו שזה לא יכול לקרות בכימיה של הסוללות. הסוללה שלנו, אם הייתם מוציאים את מפריד הקרמיקה החוצה ומאפשרים למתכת הנתרן להתערבב עם המלחים, שום דבר לא קורה. אין ספק שהסוללה מפסיקה לעבוד, אבל אין תגובה כימית אלימה או אש. "
אם שריפה חיצונית בולטת סוללת נתרן יודיד, סביר להניח שהסוללה תיסדק ותכשל, אך היא לא אמורה להוסיף דלק למדורה או לגרום לשריפת נתרן, הוסיף סמול.
בנוסף, ב -3.6 וולט, הסוללה החדשה של נתרן יודיד פועלת בשיעור גבוה ב -40% מתח מאשר סוללת נתרן מותכת מסחרית. מתח זה מוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה יותר, ומשמעות הדבר היא שסוללות עתידיות פוטנציאליות המיוצרות בכימיה זו יצטרכו פחות תאים, פחות חיבורים בין תאים ועלות יחידה נמוכה יותר לאחסון כמות זהה של חשמל, אמר סמול.
"היינו ממש נרגשים מכמה אנרגיה שנוכל לדחוס למערכת בגלל הקתוליט החדש עליו אנו מדווחים במאמר זה", הוסיף גרוס. "סוללות נתרן מותכות קיימות כבר עשרות שנים, והן בכל רחבי העולם, אבל אף אחד מעולם לא מדבר עליהן. אז היכולת להוריד את הטמפרטורה ולחזור עם מספרים ולומר 'זו ממש ממש קיימא' זה די מסודר. "
העתיד של סוללות נתרן יודיד
השלב הבא בפרויקט הסוללה של נתרן יודיד הוא להמשיך לכוון ולשכלל את הכימיה הקתוליטית להחלפת רכיב הגליום כלורי. גליום כלורי הוא יקר מאוד, יקר פי 100 ממלח שולחן.
הצוות עובד גם על שיפורים הנדסיים שונים בכדי לגרום לסוללה להיטען ולהתפרק מהר יותר ובאופן מלא יותר, הוסיף ספורק. שינוי אחד שזוהה בעבר כדי להאיץ את טעינת הסוללה היה ציפוי צד הנתרן המותך של מפריד הקרמיקה בשכבה דקה של פח.
Spoerke הוסיף כי ככל הנראה ייקח חמש עד עשר שנים להביא לסוללות נתרן יודיד לשוק, כאשר רוב האתגרים שנותרו הם אתגרי מסחור ולא אתגרים טכניים.
"זו ההפגנה הראשונה של רכיבה על אופניים ויציבה ארוכת טווח של סוללת נתרן מותכת בטמפרטורה נמוכה", אמר ספורק. "הקסם של מה שהרכבנו הוא שזיהינו כימיה של מלח ואלקטרוכימיה המאפשרים לנו לפעול ביעילות בטמפרטורה של 230 מעלות פרנהייט. תצורה זו של נתרן יודיד בטמפרטורה נמוכה היא סוג של המצאה מחודשת של המשמעות של סוללת נתרן מותכת. "
פיתוח סוללת הנתרן החדשה נתמך על ידי משרד האנרגיה של משרד האנרגיה חשמל תוכנית אחסון אנרגיה.