เทคโนโลยีแบตเตอรี่

Guosheng Li นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุกล่าวว่า "เราแสดงให้เห็นว่าการออกแบบแบตเตอรี่เกลือหลอมเหลวแบบใหม่นี้มีศักยภาพในการชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่โซเดียมอุณหภูมิสูงทั่วไปอื่นๆ มาก ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า และรักษาความจุพลังงานได้อย่างดีเยี่ยม" Guosheng Li นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุกล่าว ที่ PNNL และผู้ตรวจสอบหลักของการวิจัย "เรากำลังได้รับประสิทธิภาพที่คล้ายกันกับเคมีที่ใช้โซเดียมใหม่นี้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 °C [212 °F] เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมอุณหภูมิสูงที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ในขณะที่ใช้วัสดุที่มีอยู่มากมายบนโลก" จัดเก็บพลังงานได้มากขึ้น Imre Gyuk ผู้อำนวยการสำนักงานไฟฟ้าและโครงการกักเก็บพลังงานของ DOE ซึ่งสนับสนุนงานวิจัยนี้ กล่าวว่า "เทคโนโลยีแบตเตอรี่นี้ ซึ่งสร้างขึ้นจากวัสดุต้นทุนต่ำที่หาได้ในประเทศ ทำให้เราเข้าใกล้เป้าหมายด้านพลังงานสะอาดของประเทศมากขึ้นอีกขั้น" แบตเตอรี่เกลือหลอมเหลวที่มีโซเดียมเป็นส่วนประกอบใหม่ใช้ปฏิกิริยาที่แตกต่างกันสองแบบ ก่อนหน้านี้ทีมได้รายงานปฏิกิริยาเกลือหลอมเหลวที่เป็นกลาง การค้นพบครั้งใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าเกลือที่หลอมละลายที่เป็นกลางนี้สามารถผ่านปฏิกิริยาต่อไปเป็นเกลือที่หลอมเหลวที่เป็นกรดได้ ที่สำคัญ กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เป็นกรดครั้งที่สองนี้จะเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หลังจาก 345 รอบการชาร์จ/การคายประจุที่กระแสไฟฟ้าสูง กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เป็นกรดนี้คงไว้ซึ่งความจุ 82.8 เปอร์เซ็นต์ของความจุประจุไฟฟ้าสูงสุด พลังงานที่แบตเตอรี่สามารถส่งมอบในกระบวนการคายประจุเรียกว่าความหนาแน่นของพลังงานเฉพาะ ซึ่งแสดงเป็น "วัตต์ต่อชั่วโมงต่อกิโลกรัม" (Wh/kg) แม้ว่าแบตเตอรี่จะอยู่ในช่วงเริ่มต้นหรือการทดสอบ "เซลล์แบบเหรียญ" แต่นักวิจัยคาดการณ์ว่าอาจส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้งานได้จริงสูงถึง 100 Wh/kg เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ความหนาแน่นของพลังงานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์และยานยนต์ไฟฟ้าจะอยู่ที่ประมาณ 170-250 Wh/กก. อย่างไรก็ตาม การออกแบบแบตเตอรี่โซเดียม-อะลูมิเนียมแบบใหม่มีข้อดีคือราคาไม่แพงและผลิตได้ง่ายในสหรัฐอเมริกาจากวัสดุที่มีอยู่มากมาย "ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพ เราคาดว่าความหนาแน่นของพลังงานที่เฉพาะเจาะจงและวงจรชีวิตจะสูงขึ้นและยาวนานขึ้น" หลี่กล่าวเสริม แบตเตอรี่โซเดียมแสดงความกล้าหาญ นักวิทยาศาสตร์ของ PNNL ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานที่ Nexceris ผู้บุกเบิกพลังงานหมุนเวียนในสหรัฐฯ เพื่อประกอบและทดสอบแบตเตอรี่ Nexceris ผ่านธุรกิจใหม่ Adena Power ได้จัดหาอิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตตและโซเดียมที่จดสิทธิบัตรแล้วให้กับ PNNL เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ส่วนประกอบแบตเตอรี่ที่สำคัญนี้ช่วยให้โซเดียมไอออนเดินทางจากขั้วลบ (ขั้วบวก) ไปยังขั้วบวก (ขั้วลบ) ของแบตเตอรี่ขณะชาร์จ Vince Sprenkle ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยี แบตเตอรี่ PNNL ซึ่งมีการออกแบบที่จดสิทธิบัตรมากกว่า 30 รายการกล่าวว่า "เป้าหมายหลักของเราสำหรับเทคโนโลยีนี้คือการเปิดใช้งานต้นทุนต่ำ การเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ทุกวันเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าในช่วงเวลา 10 ถึง 24 ชั่วโมง" ระบบกักเก็บพลังงานและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง "นี่คือจุดที่น่าสนใจที่เราสามารถเริ่มคิดเกี่ยวกับการรวมพลังงานหมุนเวียนในระดับที่สูงขึ้นเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อให้มีความยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของโครงข่ายไฟฟ้าจากทรัพยากรหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์" Sprenkle เป็นส่วนหนึ่งของทีมที่พัฒนาการออกแบบใหม่ที่ยืดหยุ่นของแบตเตอรี่นี้ ซึ่งเปลี่ยนแบตเตอรี่จากรูปทรงท่อแบบดั้งเดิมเป็นแบบแบนที่ปรับขนาดได้ ซึ่งสามารถวางซ้อนและขยายได้ง่ายขึ้นเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาจากแบตเตอรี่ขนาดเหรียญเป็นขนาดใหญ่ขึ้น ขนาดสาธิตมาตราส่วนกริด ที่สำคัญกว่านั้น การออกแบบเซลล์แบบแบนนี้ช่วยเพิ่มความจุของเซลล์ได้เพียงแค่ใช้แคโทดที่หนาขึ้น ซึ่งนักวิจัยใช้ประโยชน์จากงานนี้เพื่อแสดงให้เห็นถึงเซลล์ความจุสามเท่าที่มีการคายประจุอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 28.2 ชั่วโมงภายใต้สภาวะของห้องปฏิบัติการ เทคโนโลยีแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ในปัจจุบัน รวมถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานในระยะสั้น เพื่อตอบสนองความต้องการในการจัดเก็บพลังงานได้นานขึ้น 10 ชั่วโมง จะต้องมีการพัฒนาแนวคิดแบตเตอรี่แบบใหม่ที่มีต้นทุนต่ำ ปลอดภัย และมีอายุการใช้งานยาวนาน นอกเหนือจากเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ล้ำสมัยในปัจจุบัน งานวิจัยนี้นำเสนอการสาธิตในระดับห้องปฏิบัติการที่มีแนวโน้มไปสู่เป้าหมายนั้น การเปลี่ยนแปลงในธีมความยืดหยุ่นของกริด ความสามารถในการจัดเก็บพลังงานที่เกิดจากพลังงานหมุนเวียนและปล่อยพลังงานไฟฟ้าตามต้องการได้ขับเคลื่อนความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ โดยมีการออกแบบใหม่ๆ มากมายที่แย่งชิงความสนใจและลูกค้า แต่ละรูปแบบใหม่จะต้องตอบสนองความต้องการในการใช้งานเฉพาะกลุ่มของตนเอง แบตเตอรี่บางชนิด เช่น ที่มีการออกแบบแบตเตอรี่แบบละลายน้ำแข็งของ PNNL สามารถเก็บพลังงานที่สร้างขึ้นตามฤดูกาลเป็นเวลาหลายเดือนต่อครั้ง เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ตามฤดูกาล การออกแบบใหม่นี้เชี่ยวชาญเป็นพิเศษในการจัดเก็บพลังงานกริดระยะสั้นถึงระยะกลางในระยะเวลา 12 ถึง 24 ชั่วโมง เป็นรูปแบบของสิ่งที่เรียกว่าแบตเตอรี่โซเดียม-เมทัลฮาไลด์ การออกแบบที่คล้ายกันซึ่งใช้แคโทดนิกเกิลเป็นส่วนหนึ่งของระบบได้แสดงให้เห็นแล้วว่ามีประสิทธิภาพในเชิงพาณิชย์และมีจำหน่ายแล้วในเชิงพาณิชย์ "เราได้กำจัดความต้องการนิกเกิลซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ค่อนข้างหายากและมีราคาแพง โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพของแบตเตอรี่" หลี่กล่าว "ข้อดีอีกประการของการใช้อะลูมิเนียมแทนนิกเกิลคือแคโทดอะลูมิเนียมจะชาร์จได้เร็วกว่า ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเปิดใช้ระยะเวลาการคายประจุที่นานขึ้นซึ่งแสดงให้เห็นในงานนี้" เมื่อบรรลุเป้าหมายนี้ ทีมงานกำลังมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มระยะเวลาการคายประจุ ซึ่งสามารถปรับปรุงความยืดหยุ่นของกริดได้อย่างมากสำหรับการรวมแหล่งพลังงานทดแทนเข้าด้วยกันมากขึ้น และเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า จึงสามารถผลิตด้วยวัสดุแบตเตอรี่ราคาไม่แพง แทนที่จะต้องใช้ส่วนประกอบและกระบวนการที่ซับซ้อนและมีราคาแพงเหมือนในแบตเตอรี่โซเดียมอุณหภูมิสูงแบบเดิม David Reed ผู้เชี่ยวชาญด้านแบตเตอรี่ของ PNNL และผู้ร่วมวิจัยกล่าว