تحولی شگرف در ذخیره انرژی با باتری های نوآورانه

مهندسان دانشگاه کلمبیا در حال کار روی یک باتری قدرتمند جدید هستند، که امکان ایجاد تحول بزرگی در زمینه ذخیره انرژی های تجدیدپذیر را دارد.

به گزارش تک‌ناک، این باتری با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، پایداری و کارایی بالایی ارائه می‌دهد و می‌تواند در کاربردهای مختلف انرژی از جمله وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه‌های برق مورد استفاده قرار گیرد. هدف از این فناوری، بهبود توانایی ذخیره انرژی و کاهش وابستگی به منابع سوخت فسیلی است.

یک تیم تحقیقاتی اکنون باتری‌های K-Na/S را با استفاده از پتاسیم، سدیم و گوگرد فراوان ساخته‌اند تا یک راه‌حل کم‌هزینه و با انرژی بالا برای ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌مدت فراهم کنند.

این باتری‌ها در دمای ۷۵ درجه سانتی‌گراد با ۱M گوگرد به ظرفیت نزدیک به حداکثر (۱۶۵۵ میلی‌آمپر ساعت بر گرم گوگرد) می‌رسند. با ۴M گوگرد، آنها ۸۳۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم در ۲ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع ارائه می‌دهند و پس از ۱۰۰۰ چرخه ۷۱ درصد ظرفیت خود را حفظ می‌کنند.

محققان ادعا می‌کنند که این باتری‌ها برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی امیدوارکننده هستند، چرا که تنها از موادی استفاده می‌کنند که در زمین یافت می‌شوند و ۱۵۰-۲۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم انرژی فراهم می‌کنند.

یوان یانگ، رهبر تیم تحقیقاتی گفت: «مهم است که بتوانیم طول عمر این باتری‌ها را افزایش دهیم و بتوانیم آنها را به راحتی و با هزینه کم تولید کنیم.»

رفع مشکل چالش ذخیره انرژی تجدیدپذیر

 اگرچه منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی و بادی، برای حفظ سیاره ما ضروری هستند، اما یک نقطه ضعف قابل توجه دارند که همیشه زمانی که نیاز است، برق تولید نمی‌کنند.

برای استفاده کامل از آنها، باید راه‌های اقتصادی و مؤثری برای ذخیره انرژی تولیدشده پیدا کنیم تا مطمئن شویم که حتی در غیاب خورشید یا باد، همیشه برق داریم.

باتری‌های K-Na/S با دو مشکل اصلی مواجه هستند. یکی ظرفیت کم آنها ناشی از تشکیل K2S2 و K2S جامد غیرفعال است، که فرایند انتشار را مسدود می‌کند؛ علاوه بر این، عملکرد آنها به دماهای بسیار بالا (>۲۵۰ درجه سانتی‌گراد) نیاز دارد که مدیریت حرارتی پیچیده‌ای را می‌طلبد و هزینه فرایند را افزایش می‌دهد.

 تحقیقات قبلی با ظرفیت کم و رسوبات جامد مشکل داشته‌اند، بنابراین یک روش جدید برای بهبود این نوع باتری‌ها مورد نیاز بوده است.

در راستای افزایش عملکرد باتری، تیم پروفسور یانگ یک الکترولیت جدید مبتنی بر آمید طراحی کرده است که حلالیت ترکیباتی مانند: K2S2 و K2S را بهبود می‌بخشد و حرکت یونی و نرخ واکنش را افزایش می‌دهد.

این طراحی در باتری‌های K-Na/S اعمال می‌شود که ولتاژ بالاتری (~2.1 ولت) نسبت به باتری‌های Na/S و K/S سنتی ارائه می‌دهند و در دماهای پایین‌تر (۵۰-۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به جای ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کنند.

افزایش قابلیت اطمینان انرژی

 آزمایش‌ها نشان داد که توانایی این الکترولیت در حل کردن K2S2 و K2S می‌تواند چگالی انرژی و توان باتری‌های K/S را که در دماهای متوسط عمل می‌کنند، بهبود بخشد.

با استفاده از مخلوطی از استامید و ε-کاپرولاکتام که می‌تواند K2S را تا 1.43M در ۷۵ درجه سانتی‌گراد حل کند، باتری به ظرفیت تخلیه کامل (۱۶۵۵ میلی‌آمپر ساعت بر گرم گوگرد) در ۷۵ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

با غلظت‌های بالاتر گوگرد (تا ۴ مولار)، باتری پس از ۱۰۰۰ چرخه ۷۱ درصد از ظرفیت خود را حفظ می‌کند. این سیستم انرژی‌های خاصی بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم فراهم می‌آورد و به دلیل فراوانی مواد استفاده شده، کم‌هزینه است.

ژنگهائو یانگ، یکی از محققان این مطالعه بیان کرد: «رویکرد ما به ظرفیت‌های تخلیه نظری و عمر چرخه طولانی دست می‌یابد. این مسئله در زمینه باتری‌های K/S با دمای متوسط بسیار هیجان‌انگیز است.»

اگرچه محققان در حال حاضر روی باتری‌های کوچک و سکه‌ای تمرکز دارند، اما در نهایت می‌خواهند این فناوری را برای ذخیره مقادیر زیادی انرژی مقیاس‌بندی کنند.

محققان معتقد هستند که اگر این باتری‌های جدید موفق شوند، ممکن است بتوانند منبع برق پایدار و قابل اعتمادی از منابع تجدیدپذیر ارائه دهند، حتی زمانی که باد یا خورشید زیادی وجود ندارد. در حال حاضر آنها بر بهینه‌سازی ترکیب الکترولیت تمرکز دارند.

یوان یانگ تأکید کرد: «قابل اعتمادتر کردن انرژی‌های تجدیدپذیر به تثبیت شبکه‌های انرژی ما کمک می‌کند، وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد و از آینده‌ای پایدارتر برای همه ما حمایت می‌کند.»

جزئیات این تحقیقات در مجله Nature Communications منتشر شده است.