Kilde: Engineering.Columbia.edu
Fornybare energikilder som vind og sol er avgjørende for å opprettholde planeten vår, men de kommer med en stor utfordring: de genererer ikke alltid kraft når det trengs. For å få mest mulig ut av dem, trenger vi effektive og rimelige måter å lagre energien de produserer på, så vi har kraft selv når vinden ikke blåser eller solen ikke skinner.
Columbia Engineering Material forskere har vært fokusert på å utvikle nye typer batterier for å transformere hvordan vi lagrer fornybar energi. I en ny studie publisert 5. september av Nature Communications, brukte teamet K-NA\/S-batterier som kombinerer billige, lett-fundne elementer -- kalium (k) og natrium (Na), sammen med sulfur (S) -- for å lage en lavpris, høy-energi-løsning for å lette energi-lagring.
"Det er viktig at vi kan utvide hvor lang tid disse batteriene kan operere, og at vi kan produsere dem enkelt og billig," sa teamets leder Yuan Yang, førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørvitenskap i Institutt for anvendt fysikk og matematikk ved Columbia Engineering. "Å gjøre fornybar energi mer pålitelig vil bidra til å stabilisere energinettet vårt, redusere vår avhengighet av fossilt brensel og støtte en mer bærekraftig energi -fremtid for oss alle."
Ny elektrolytt hjelper K-NA\/s batterier og frigjør energi mer effektivt
There are two major challenges with K-Na/S batteries: they have a low capacity because the formation of inactive solid K2S2 and K2S blocks the diffusion process and their operation requires very high temperatures (>250 OC) som trenger kompleks termisk styring, og øker dermed kostnadene for prosessen. Tidligere studier har slitt med solide utfellinger og lav kapasitet, og søket har vært på for en ny teknikk for å forbedre denne typen batterier.
Yangs gruppe utviklet en ny elektrolytt, et løsningsmiddel av acetamid og ε-kaprolaktam, for å hjelpe batteriets lagre og frigjøre energi. Denne elektrolytten kan oppløse K2S2 og K2s, og forbedre energitettheten og krafttettheten til mellomtemperatur K\/S-batterier. I tillegg gjør det at batteriet kan fungere i en mye lavere temperatur (rundt 75 grader) enn tidligere design, samtidig som det oppnår nesten maksimal mulig energilagringskapasitet.
"Vår tilnærming oppnår nesten teoretiske utskrivningskapasiteter og forlenget sykluslevetid. Dette er veldig spennende innen K\/S-batterier mellom mellomtemperatur," sa studiens med første forfatter Zhenghao Yang, en doktorgradsstudent med Yang.
Vei til en bærekraftig energy fremtid
Yangs gruppe er tilknyttet Columbia Electrochemical Energy Center (CEEC), som tar en multiscale tilnærming for å oppdage banebrytende teknologi og akselerere kommersialisering. CEEC sammenfaller sammen fakultetet og forskere fra hele School of Engineering og anvendt vitenskap som studerer elektrokjemisk energi med interesser som spenner fra elektroner til enheter til systemer. Dets bransjepartnerskap muliggjør realisering av gjennombrudd i elektrokjemisk energilagring og konvertering.
Planlegger å skalere opp
Mens teamet for tiden er fokusert på små, myntstore batterier, er målet deres å til slutt skalere opp denne teknologien for å lagre store mengder energi. Hvis de lykkes, kan disse nye batteriene gi en stabil og pålitelig strømforsyning fra fornybare kilder, selv i tider med lav sol eller vind. Teamet jobber nå med å optimalisere elektrolyttsammensetningen.