Penyelidik di Sandia National Laboratories telah merancang kelas baru bateri natrium cair untuk penyimpanan tenaga berskala grid. Bateri natrium cair telah digunakan selama bertahun-tahun untuk menyimpan tenaga dari sumber yang boleh diperbaharui, seperti panel solar dan turbin angin. Walau bagaimanapun, bateri natrium cair yang tersedia secara komersial, yang disebut bateri natrium-sulfur, biasanya beroperasi pada suhu 520-660 darjah Fahrenheit. Bateri natrium-iodida cair baru Sandia beroperasi pada suhu 230 darjah Fahrenheit yang jauh lebih sejuk.
"Kami telah berusaha untuk menurunkan suhu operasi bateri natrium cair serendah mungkin," kata Leo Small, penyelidik utama projek ini. "Terdapat penjimatan kos secara menyeluruh bersamaan dengan menurunkan suhu bateri. Anda boleh menggunakan bahan yang lebih murah. Bateri memerlukan penebat yang lebih sedikit dan pendawaian yang menghubungkan semua bateri boleh menjadi lebih nipis. "
Bagaimanapun, kimia bateri yang berfungsi pada 550 darjah tidak berfungsi pada 230 darjah, tambahnya. Antara inovasi utama yang memungkinkan suhu operasi yang lebih rendah ini adalah pengembangan dari apa yang disebutnya sebagai katolit. Katolit adalah campuran cecair dari dua garam, dalam kes ini, natrium iodida dan gallium klorida.
Asas membina bateri yang lebih baik
Bateri asid plumbum asas, biasanya digunakan sebagai bateri pencucuhan kereta, mempunyai plat plumbum dan plat dioksida plumbum dengan elektrolit asid sulfurik di tengahnya. Oleh kerana tenaga dikeluarkan dari bateri, plat plumbum bertindak balas dengan asid sulfurik untuk membentuk sulfat plumbum dan elektron. Elektron-elektron ini memulakan kereta dan kembali ke sisi bateri yang lain, di mana plat timbal dioksida menggunakan elektron dan asid sulfurik untuk membentuk sulfat plumbum dan air. Untuk bateri natrium lebur baru, plat plumbum digantikan oleh logam natrium cair, dan plat dioksida plumbum digantikan oleh campuran cecair natrium iodida dan sejumlah kecil klorida klorida, kata Erik Spoerke, saintis bahan yang telah bekerja pada bateri natrium cair selama lebih dari satu dekad.
Apabila tenaga dikeluarkan dari bateri baru, logam natrium menghasilkan ion natrium dan elektron. Di sisi lain, elektron mengubah iodin menjadi ion iodida. Ion natrium bergerak melintasi pemisah ke sisi lain di mana mereka bertindak balas dengan ion iodida untuk membentuk garam natrium iodida cair. Daripada elektrolit asid sulfurik, bahagian tengah bateri adalah pemisah seramik khas yang hanya membenarkan ion natrium bergerak dari sisi ke sisi, tidak lain.
"Dalam sistem kami, tidak seperti bateri ion litium, semuanya cair di kedua sisi," kata Spoerke. "Itu bermakna kita tidak perlu menangani masalah seperti bahan yang mengalami perubahan fasa yang kompleks atau berantakan; semuanya cair. Pada dasarnya, bateri berasaskan cecair ini tidak mempunyai jangka hayat yang terhad seperti bateri lain. "
Sebenarnya, bateri natrium cair komersial mempunyai jangka hayat 10 hingga 15 tahun, jauh lebih lama daripada bateri asid plumbum standard atau bateri ion litium.
Bateri tahan lama yang lebih selamat
Bateri natrium-iodida skala kecil Sandia diuji selama lapan bulan di dalam oven. Martha Gross, seorang penyelidik pasca doktoral yang telah menjalankan ujian makmal selama dua tahun terakhir, melakukan eksperimen mengecas dan melepaskan bateri lebih dari 400 kali dalam tempoh lapan bulan tersebut.
Kerana pandemi COVID-19, mereka terpaksa menghentikan eksperimen selama satu bulan dan membiarkan natrium cair dan katolit sejuk hingga suhu bilik dan membeku, katanya. Gross gembira kerana setelah memanaskan bateri, ia masih berfungsi.
Ini bermaksud bahawa jika berlaku gangguan tenaga secara besar-besaran, seperti yang berlaku di Texas pada bulan Februari, bateri natrium-iodida dapat digunakan, dan kemudian dibiarkan sejuk hingga beku. Setelah gangguan selesai, mereka dapat pemanasan, pengisian semula dan kembali ke operasi normal tanpa proses permulaan yang lama atau mahal, dan tanpa penurunan kimia dalaman bateri, Spoerke menambah.
Bateri natrium-iodida juga lebih selamat. Spoerke berkata, "Bateri ion lithium terbakar apabila terdapat kerosakan di dalam bateri, menyebabkan bateri terlalu panas. Kami telah membuktikan bahawa itu tidak boleh berlaku dengan kimia bateri kami. Bateri kami, jika anda mengeluarkan pemisah seramik, dan membiarkan logam natrium bercampur dengan garam, tidak ada yang berlaku. Sudah tentu, bateri berhenti berfungsi, tetapi tidak ada reaksi kimia atau api yang ganas. ”
Sekiranya api luar melanda bateri natrium-iodida, kemungkinan bateri akan pecah dan gagal, tetapi tidak boleh menambahkan bahan bakar ke api atau menyebabkan api natrium, tambah Small.
Selain itu, pada 3.6 volt, bateri natrium-iodida baru mempunyai operasi 40% lebih tinggi voltan daripada bateri natrium lebur komersial. Voltan ini membawa kepada ketumpatan tenaga yang lebih tinggi, dan ini bermaksud bahawa bateri masa depan yang berpotensi dibuat dengan kimia ini memerlukan lebih sedikit sel, lebih sedikit hubungan antara sel dan kos unit keseluruhan yang lebih rendah untuk menyimpan jumlah elektrik yang sama, kata Small.
"Kami sangat gembira dengan berapa banyak tenaga yang berpotensi kita masuk ke dalam sistem kerana katolit baru yang kita laporkan dalam makalah ini," tambah Gross. "Bateri natrium cair telah wujud selama beberapa dekad, dan semuanya ada di seluruh dunia, tetapi tidak ada yang membincangkannya. Oleh itu, dapat menurunkan suhu dan kembali dengan beberapa nombor dan berkata, 'ini adalah sistem yang benar-benar layak' cukup kemas. "
Masa depan bateri natrium-iodida
Langkah seterusnya untuk projek bateri natrium-iodida adalah untuk terus menyempurnakan dan menyempurnakan kimia katolit untuk menggantikan komponen gallium klorida, kata Small. Gallium klorida sangat mahal, lebih daripada 100 kali lebih mahal daripada garam meja.
Pasukan ini juga mengusahakan pelbagai modifikasi kejuruteraan untuk mengecas dan mengecas bateri dengan lebih cepat dan lebih lengkap, tambah Spoerke. Satu pengubahsuaian yang telah dikenal pasti untuk mempercepat pengisian bateri adalah dengan melapisi bahagian natrium lebur pemisah seramik dengan lapisan timah nipis.
Spoerke menambah bahawa mungkin memerlukan lima hingga 10 tahun untuk mendapatkan bateri natrium-iodida ke pasaran, dengan sebahagian besar baki cabarannya adalah cabaran pengkomersialan, dan bukannya cabaran teknikal.
"Ini adalah demonstrasi pertama kitaran jangka panjang dan stabil bateri natrium cair suhu rendah," kata Spoerke. "Keajaiban dari apa yang telah kita kumpulkan adalah kita telah mengenal pasti kimia garam dan elektrokimia yang membolehkan kita beroperasi dengan berkesan pada suhu 230 darjah Fahrenheit. Konfigurasi natrium-iodida suhu rendah ini adalah semacam penemuan semula apa yang dimaksudkan dengan bateri natrium cair. "
Pembangunan bateri natrium baru disokong oleh Pejabat Jabatan Tenaga Elektrik Program Penyimpanan Tenaga.