Sandia Ulusal Laboratuvarlarındaki araştırmacılar, şebeke ölçeğinde enerji depolama için yeni bir sınıf erimiş sodyum pil tasarladılar. Erimiş sodyum piller uzun yıllardır güneş panelleri ve rüzgar türbinleri gibi yenilenebilir kaynaklardan enerji depolamak için kullanılıyor. Bununla birlikte, sodyum-kükürt pilleri adı verilen ticari olarak temin edilebilen erimiş sodyum piller genellikle 520-660 Fahrenheit derecede çalışır. Sandia'nın yeni erimiş sodyum iyodür pili bunun yerine çok daha soğuk 230 Fahrenheit sıcaklıkta çalışıyor.
Projenin baş araştırmacısı Leo Small, "Erimiş sodyum pillerin çalışma sıcaklığını fiziksel olarak mümkün olduğu kadar düşük seviyeye indirmek için çalışıyoruz" dedi. “Pil sıcaklığının düşürülmesiyle birlikte artan bir maliyet tasarrufu sağlanıyor. Daha ucuz malzemeler kullanabilirsiniz. Piller daha az izolasyona ihtiyaç duyuyor ve tüm pilleri birbirine bağlayan kablolar çok daha ince olabiliyor."
Ancak 550 derecede çalışan pil kimyasının 230 derecede çalışmadığını da sözlerine ekledi. Bu daha düşük çalışma sıcaklığına izin veren en büyük yenilikler arasında katolit adını verdiği şeyin geliştirilmesi de vardı. Bir katolit, iki tuzun, bu durumda, sodyum iyodür ve galyum klorürün sıvı bir karışımıdır.
Daha iyi piller oluşturmanın temelleri
Yaygın olarak araba ateşleme aküsü olarak kullanılan temel kurşun-asit akü, bir kurşun plakaya ve ortasında sülfürik asit elektroliti bulunan bir kurşun dioksit plakasına sahiptir. Aküden enerji boşaldıkça kurşun plaka sülfürik asitle reaksiyona girerek kurşun sülfat ve elektronlar oluşturur. Bu elektronlar arabayı çalıştırıyor ve akünün diğer tarafına geri dönüyor; burada kurşun dioksit plakası, kurşun sülfat ve su oluşturmak için elektronları ve sülfürik asidi kullanıyor. Malzeme bilimcisi Erik Spoerke, yeni erimiş sodyum pil için kurşun plakanın yerini sıvı sodyum metalle, kurşun dioksit plakasının yerine ise sodyum iyodür ve az miktarda galyum klorürden oluşan sıvı bir karışımla değiştirildiğini söyledi. on yılı aşkın süredir erimiş sodyum pillerle çalışıyor.
Yeni pilden enerji boşaltıldığında sodyum metali, sodyum iyonları ve elektronlar üretir. Diğer tarafta elektronlar iyotu iyodür iyonlarına dönüştürür. Sodyum iyonları ayırıcının diğer tarafına geçerek iyodür iyonlarıyla reaksiyona girerek erimiş sodyum iyodür tuzu oluşturur. Pilin ortasında, sülfürik asit elektroliti yerine, yalnızca sodyum iyonlarının bir yandan diğer yana hareket etmesine izin veren özel bir seramik ayırıcı bulunur, başka hiçbir şey yoktur.
Spoerke, "Sistemimizde, lityum iyon pilin aksine, her iki taraftaki her şey sıvıdır" dedi. “Bu, malzemenin karmaşık faz değişimlerine uğraması veya parçalanması gibi sorunlarla uğraşmak zorunda olmadığımız anlamına geliyor; hepsi sıvı. Temel olarak bu sıvı bazlı pillerin ömrü diğer piller kadar sınırlı değil.”
Aslında, ticari erimiş sodyum pillerin ömrü 10 ila 15 yıl arasındadır; bu, standart kurşun-asit pillerden veya lityum iyon pillerden önemli ölçüde daha uzundur.
Daha güvenli, uzun ömürlü piller
Sandia'nın küçük, laboratuvar ölçekli sodyum iyodür pili, bir fırında sekiz ay boyunca test edildi. Son iki yıldır laboratuvar testleri üzerinde çalışan doktora sonrası araştırmacı Martha Gross, bu sekiz ay boyunca pili 400'den fazla kez şarj edip boşaltan deneyler gerçekleştirdi.
COVİD-19 salgını nedeniyle deneyi bir aylığına duraklatmak zorunda kaldıklarını ve erimiş sodyum ile katolitin oda sıcaklığına kadar soğumasını ve donmasını beklediklerini söyledi. Gross, pili ısıttıktan sonra hala çalıştığından memnundu.
Bu, Şubat ayında Teksas'ta olduğu gibi büyük ölçekli bir enerji kesintisi meydana gelirse, sodyum iyodür pillerin kullanılabileceği ve daha sonra donana kadar soğumaya bırakılabileceği anlamına geliyor. Spoerke, kesinti sona erdiğinde, uzun veya maliyetli bir başlatma işlemine gerek kalmadan ve pilin iç kimyası bozulmadan ısıtılabileceğini, yeniden şarj edilebileceğini ve normal çalışmaya geri dönülebileceğini ekledi.
Sodyum iyodür piller de daha güvenlidir. Spoerke şunları söyledi: "Lityum iyon pil, pilin içinde bir arıza olduğunda alev alıyor ve pilin aşırı ısınmasına neden oluyor. Pil kimyamızla bunun olamayacağını kanıtladık. Bataryamız, seramik ayırıcıyı çıkarıp sodyum metalinin tuzlarla karışmasını sağlarsanız hiçbir şey olmaz. Elbette pilin çalışması duruyor ancak şiddetli bir kimyasal reaksiyon ya da yangın yok.”
Small, dışarıdaki bir yangının sodyum iyodür bataryayı yutması durumunda bataryanın çatlayıp arızalanmasının muhtemel olduğunu, ancak yangına yakıt eklememesi veya sodyum yangınına neden olmaması gerektiğini ekledi.
Ayrıca 3.6 voltta yeni sodyum iyodür pil %40 daha yüksek çalışma ömrüne sahiptir. Voltaj ticari bir erimiş sodyum pilinden daha iyidir. Small, bu voltajın daha yüksek enerji yoğunluğuna yol açtığını ve bunun da bu kimyayla yapılacak potansiyel gelecekteki pillerin daha az hücreye, hücreler arasında daha az bağlantıya ve aynı miktarda elektriği depolamak için genel olarak daha düşük birim maliyete ihtiyaç duyacağı anlamına geldiğini söyledi.
Gross, "Bu yazıda rapor ettiğimiz yeni katolit nedeniyle sisteme potansiyel olarak ne kadar enerji sığdırabileceğimiz konusunda gerçekten heyecanlıydık" diye ekledi. “Erimiş sodyum piller onlarca yıldır var ve dünyanın her yerinde varlar ama kimse onlardan bahsetmiyor. Dolayısıyla sıcaklığı düşürüp bazı rakamlarla geri dönüp 'Bu gerçekten çok uygulanabilir bir sistem' diyebilmek oldukça güzel."
Sodyum iyodür pillerin geleceği
Small, sodyum iyodür pil projesi için bir sonraki adımın, galyum klorür bileşeninin yerini alacak katolit kimyasını ayarlamaya ve geliştirmeye devam etmek olduğunu söyledi. Galyum klorür çok pahalıdır; sofra tuzundan 100 kat daha pahalıdır.
Spoerke, ekibin ayrıca pilin daha hızlı ve daha eksiksiz şarj ve deşarj olmasını sağlamak için çeşitli mühendislik ayarlamaları üzerinde çalıştığını da sözlerine ekledi. Pil şarjını hızlandırmak için daha önce belirlenen bir değişiklik, seramik ayırıcının erimiş sodyum tarafını ince bir kalay tabakasıyla kaplamaktı.
Spoerke, sodyum iyodür pillerin pazara sunulmasının muhtemelen beş ila 10 yıl alacağını, geri kalan zorlukların çoğunun teknik zorluklardan ziyade ticarileştirme zorlukları olduğunu ekledi.
Spoerke, "Bu, düşük sıcaklıkta erimiş sodyum pilin uzun vadeli, istikrarlı döngüsünün ilk gösterimidir" dedi. "Bir araya getirdiğimiz şeyin büyüsü, 230 Fahrenheit derecede etkili bir şekilde çalışmamıza olanak tanıyan tuz kimyasını ve elektrokimyayı tanımlamış olmamızdır. Bu düşük sıcaklıktaki sodyum iyodür konfigürasyonu, erimiş sodyum bataryaya sahip olmanın ne anlama geldiğinin bir nevi yeniden keşfidir."
Yeni sodyum pilin geliştirilmesi Enerji Bakanlığı'nın Ofisi tarafından desteklendi. Elektrik Enerji Depolama Programı.