นักวิจัยจาก Sandia National Laboratories ได้ออกแบบแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวระดับใหม่สำหรับการจัดเก็บพลังงานในระดับกริด แบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวถูกใช้มาหลายปีเพื่อเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวที่มีจำหน่ายทั่วไป ซึ่งเรียกว่าแบตเตอรี่โซเดียม-ซัลเฟอร์ มักทำงานที่อุณหภูมิ 520-660 องศาฟาเรนไฮต์ แบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์หลอมเหลวใหม่ของ Sandia ทำงานที่อุณหภูมิ 230 องศาฟาเรนไฮต์ที่เย็นกว่ามากแทน
"เรากำลังทำงานเพื่อลดอุณหภูมิในการทำงานของแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้" Leo Small หัวหน้านักวิจัยของโครงการกล่าว “มีการประหยัดค่าใช้จ่ายแบบเรียงซ้อนทั้งหมดที่มาพร้อมกับการลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ คุณสามารถใช้วัสดุที่มีราคาไม่แพง แบตเตอรี่ต้องการฉนวนน้อยกว่า และสายไฟที่เชื่อมต่อแบตเตอรี่ทั้งหมดอาจบางลงมาก”
อย่างไรก็ตาม เคมีของแบตเตอรี่ที่ทำงานที่ 550 องศานั้นใช้งานไม่ได้ที่ 230 องศา เขากล่าวเสริม ในบรรดานวัตกรรมสำคัญที่ทำให้อุณหภูมิในการทำงานลดลงคือการพัฒนาสิ่งที่เขาเรียกว่าแคโทไลต์ แคโทไลต์เป็นส่วนผสมของเหลวของเกลือสองชนิด ในกรณีนี้คือโซเดียมไอโอไดด์และแกลเลียมคลอไรด์
พื้นฐานของการสร้างแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น
แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดพื้นฐาน ซึ่งมักใช้เป็นแบตเตอรี่จุดระเบิดรถยนต์ มีแผ่นตะกั่วและแผ่นตะกั่วไดออกไซด์ที่มีอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกอยู่ตรงกลาง เมื่อพลังงานหมดจากแบตเตอรี่ แผ่นตะกั่วจะทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกเพื่อสร้างตะกั่วซัลเฟตและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านี้สตาร์ทรถและกลับไปที่อีกด้านหนึ่งของแบตเตอรี่ โดยที่แผ่นตะกั่วไดออกไซด์ใช้อิเล็กตรอนและกรดซัลฟิวริกเพื่อสร้างตะกั่วซัลเฟตและน้ำ Erik Spoerke นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่กำลังทำงาน กล่าวว่า สำหรับแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวใหม่ แผ่นตะกั่วจะถูกแทนที่ด้วยโลหะโซเดียมเหลว และแผ่นตะกั่วไดออกไซด์จะถูกแทนที่ด้วยส่วนผสมของเหลวของโซเดียมไอโอไดด์และแกลเลียมคลอไรด์จำนวนเล็กน้อย บนแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวมานานกว่าทศวรรษ
เมื่อพลังงานหมดจากแบตเตอรี่ใหม่ โลหะโซเดียมจะผลิตโซเดียมไอออนและอิเล็กตรอน ในอีกด้านหนึ่ง อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไอโอดีนเป็นไอออนของไอโอไดด์ โซเดียมไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านตัวคั่นไปยังอีกด้านหนึ่งซึ่งทำปฏิกิริยากับไอออนของไอโอไดด์เพื่อสร้างเกลือโซเดียมไอโอไดด์ที่หลอมเหลว แทนที่จะเป็นอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริก ตรงกลางของแบตเตอรี่คือเครื่องแยกเซรามิกแบบพิเศษที่ช่วยให้โซเดียมไอออนเท่านั้นที่จะเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ไม่มีอะไรอื่น
“ในระบบของเรา ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ทุกอย่างเป็นของเหลวทั้งสองด้าน” Spoerke กล่าว “นั่นหมายความว่าเราไม่ต้องจัดการกับปัญหาต่างๆ เช่น เนื้อหาที่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสที่ซับซ้อนหรือการแตกสลาย มันเป็นของเหลวทั้งหมด โดยพื้นฐานแล้ว แบตเตอรี่ที่ใช้ของเหลวเหล่านี้ไม่มีอายุการใช้งานที่จำกัดเท่ากับแบตเตอรี่อื่นๆ”
อันที่จริง แบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวเชิงพาณิชย์มีอายุการใช้งาน 10 ถึง 15 ปี ซึ่งยาวนานกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดมาตรฐานหรือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างมาก
แบตเตอรี่ใช้งานได้ยาวนานและปลอดภัยกว่า
แบตเตอรี่โซเดียม-ไอโอไดด์ขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการของ Sandia ได้รับการทดสอบภายในเตาอบเป็นเวลาแปดเดือน Martha Gross นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ทำงานเกี่ยวกับการทดสอบในห้องปฏิบัติการในช่วงสองปีที่ผ่านมา ทำการทดลองชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่มากกว่า 400 ครั้งในช่วงแปดเดือนที่ผ่านมา
เนื่องจากการระบาดของโควิด-19 พวกเขาต้องหยุดการทดลองชั่วคราวเป็นเวลาหนึ่งเดือนและปล่อยให้โซเดียมหลอมเหลวและแคโทไลต์เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องและแช่แข็ง เธอกล่าว กรอสรู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่งที่หลังจากอุ่นแบตเตอรีแล้วมันก็ยังใช้งานได้
ซึ่งหมายความว่าหากเกิดการหยุดชะงักของพลังงานขนาดใหญ่ เช่นที่เกิดขึ้นในเท็กซัสในเดือนกุมภาพันธ์ สามารถใช้แบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์ จากนั้นปล่อยให้เย็นจนแช่แข็ง เมื่อการหยุดชะงักสิ้นสุดลง พวกเขาสามารถอุ่นเครื่อง ชาร์จใหม่ และกลับสู่การทำงานปกติโดยไม่ต้องมีกระบวนการเริ่มต้นที่ใช้เวลานานหรือมีค่าใช้จ่ายสูง และปราศจากการเสื่อมสภาพของเคมีภายในของแบตเตอรี่ Spoerke กล่าวเสริม
แบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์ก็ปลอดภัยกว่าเช่นกัน Spoerke กล่าวว่า "แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะติดไฟได้เมื่อมีความล้มเหลวภายในแบตเตอรี่ ส่งผลให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไป เราได้พิสูจน์แล้วว่าไม่สามารถเกิดขึ้นได้กับเคมีของแบตเตอรี่ของเรา แบตเตอรี่ของเรา หากคุณนำเครื่องแยกเซรามิกออก และปล่อยให้โลหะโซเดียมผสมกับเกลือ จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น แน่นอนว่าแบตเตอรี่หยุดทำงาน แต่ไม่มีปฏิกิริยาเคมีรุนแรงหรือไฟไหม้”
หากเกิดเพลิงไหม้ภายนอกแบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์ เป็นไปได้ว่าแบตเตอรี่จะแตกและล้มเหลว แต่ไม่ควรเติมเชื้อเพลิงลงในกองไฟหรือทำให้เกิดไฟไหม้โซเดียม Small เพิ่ม
นอกจากนี้ ที่ 3.6 โวลต์ แบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์ใหม่มีการทำงานที่สูงขึ้น 40% แรงดันไฟฟ้า มากกว่าแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวเชิงพาณิชย์ แรงดันไฟฟ้านี้นำไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และนั่นหมายความว่าแบตเตอรี่ที่มีศักยภาพในอนาคตที่ผลิตด้วยสารเคมีนี้จะต้องมีเซลล์น้อยลง การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์น้อยลง และต้นทุนต่อหน่วยโดยรวมที่ต่ำกว่าเพื่อเก็บไฟฟ้าในปริมาณเท่ากัน Small กล่าว
"เรารู้สึกตื่นเต้นมากเกี่ยวกับพลังงานที่เราสามารถอัดเข้าไปในระบบได้เนื่องจากแคโทไลต์ใหม่ที่เรากำลังรายงานในบทความนี้" กรอสกล่าวเสริม “แบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวมีมานานหลายทศวรรษแล้ว และมีอยู่ทั่วโลก แต่ไม่มีใครพูดถึงแบตเตอรี่เหล่านี้เลย ดังนั้น ความสามารถในการลดอุณหภูมิและกลับมาพร้อมกับตัวเลขและพูดว่า 'นี่เป็นระบบที่ใช้งานได้จริง' นั้นค่อนข้างเรียบร้อย”
อนาคตของแบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์
ขั้นตอนต่อไปสำหรับโครงการแบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์คือการปรับแต่งและปรับแต่งเคมีของแคโทไลต์ต่อไปเพื่อแทนที่ส่วนประกอบของแกลเลียมคลอไรด์ Small กล่าว แกลเลียมคลอไรด์มีราคาแพงมาก แพงกว่าเกลือแกง 100 เท่า
ทีมงานกำลังทำงานในการปรับแต่งทางวิศวกรรมต่างๆ เพื่อให้แบตเตอรี่สามารถชาร์จและคายประจุได้เร็วและเต็มที่ยิ่งขึ้น Spoerke กล่าวเสริม การปรับเปลี่ยนที่ระบุก่อนหน้านี้อย่างหนึ่งเพื่อเร่งการชาร์จแบตเตอรี่คือการเคลือบด้านโซเดียมหลอมเหลวของตัวแยกเซรามิกด้วยชั้นดีบุกบางๆ
Spoerke กล่าวเสริมว่า อาจต้องใช้เวลา 10-XNUMX ปีในการนำแบตเตอรี่โซเดียมไอโอไดด์ออกสู่ตลาด โดยความท้าทายที่เหลือส่วนใหญ่เป็นความท้าทายในเชิงพาณิชย์ มากกว่าความท้าทายทางเทคนิค
"นี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของการหมุนเวียนแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำในระยะยาวและมีเสถียรภาพ" Spoerke กล่าว “ความมหัศจรรย์ของสิ่งที่เรานำมารวมกันก็คือเราได้ระบุเคมีเกลือและเคมีไฟฟ้าที่ช่วยให้เราทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิ 230 องศาฟาเรนไฮต์ การกำหนดค่าโซเดียมไอโอไดด์ที่อุณหภูมิต่ำนี้เป็นการคิดค้นขึ้นใหม่ว่าการมีแบตเตอรี่โซเดียมหลอมเหลวหมายความว่าอย่างไร”
การพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมใหม่ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานกระทรวงพลังงาน Energy ไฟฟ้า โครงการกักเก็บพลังงาน