研究人員開發(fā)了水基電池 用于存儲太陽能和風(fēng)能

斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種水基電池，可以提供一種廉價的方式來儲存太陽照射和風(fēng)吹時產(chǎn)生的風(fēng)能或太陽能，這樣它就可以反饋到電網(wǎng)中，并在需求高時重新分配。

今天在Nature Energy報道的原型錳氫電池只有3英寸高，僅產(chǎn)生20毫瓦時的電力，這與可能懸掛鑰匙環(huán)的LED手電筒的能量水平相當(dāng)。

盡管原型的產(chǎn)量很小，但研究人員相信他們可以將這種桌面技術(shù)應(yīng)用到可以充電和充電10,000次的工業(yè)級系統(tǒng)，從而創(chuàng)造出一種電網(wǎng)壽命遠(yuǎn)超過a的電池壽命。十年。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)教授，該論文的高級作者易翠表示，錳氫電池技術(shù)可能是國家能源之謎中缺失的部分之一 - 一種存儲不可預(yù)測的風(fēng)能或太陽能的方法，以減少當(dāng)沒有可再生能源時，需要燃燒可靠但排放碳的化石燃料。

“我們所做的就是將一種特殊的鹽投入水中，滴入電極，并產(chǎn)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，以氫氣的形式存儲電子，”崔說。

聰明的化學(xué)

夢想這個概念并建造原型的團(tuán)隊(duì)由崔實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者魏晨領(lǐng)導(dǎo)。從本質(zhì)上講，研究人員在水和硫酸錳之間哄騙可逆電子交換，硫酸錳是一種廉價，豐富的工業(yè)鹽，用于制造干電池，肥料，紙張和其他產(chǎn)品。

為了模仿風(fēng)能或太陽能源如何為電池供電，研究人員在原型上安裝了一個電源。流入的電子與溶解在水中的硫酸錳反應(yīng)，留下附著在電極上的二氧化錳顆粒。過量的電子以氫氣的形式起泡，從而儲存這些能量以備將來使用。工程師知道如何利用儲存在氫氣中的能量重建電力，因此下一步重要的是要證明水基電池可以充電。

研究人員通過將其電源重新連接到耗盡的原型來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這次目的是誘導(dǎo)二氧化錳顆粒附著在電極上與水結(jié)合，補(bǔ)充硫酸錳鹽。一旦這種鹽恢復(fù)，進(jìn)入的電子就會過剩，過剩的能量可能會像氫氣一樣冒出來，這個過程可以一次又一次地重復(fù)。

崔估計，考慮到水基電池的預(yù)期壽命，存儲足夠的電力為100瓦燈泡供電12小時將花費(fèi)一分錢。

“我們相信這種原型技術(shù)將能夠滿足能源部(DOE)實(shí)用的電力儲存目標(biāo)，”崔說。

美國能源部已推薦用于電網(wǎng)規(guī)模儲存的電池應(yīng)儲存，然后在一小時內(nèi)放電至少20千瓦，能夠至少補(bǔ)充5,000次，并且使用壽命為10年或更長。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池系統(tǒng)的成本應(yīng)為2,000美元或更低，或每千瓦時100美元。

前能源部秘書和諾貝爾獎獲得者Steven Chu現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的教授，他長期以來一直關(guān)注鼓勵技術(shù)來幫助國家向可再生能源過渡。

“雖然精確的材料和設(shè)計仍需要開發(fā)，但這個原型展示了科學(xué)和工程的類型，它提出了實(shí)現(xiàn)低成本，長效公用電池的新方法，”Chu說，他不是研究團(tuán)隊(duì)的成員。

轉(zhuǎn)移碳

據(jù)美國能源部估計，美國約70%的電力來自煤炭或天然氣工廠，占二氧化碳排放量的40%。轉(zhuǎn)向風(fēng)能和太陽能發(fā)電是減少這些排放的一種方法，但它帶來了涉及電力供應(yīng)變化的新挑戰(zhàn)。最明顯的是，太陽只在白天閃耀，有時風(fēng)不吹。

但另一個不太了解但進(jìn)口形式的變化來自電網(wǎng)需求的激增 - 高壓電線網(wǎng)絡(luò)將電力分配到地區(qū)并最終分配給家庭。在炎熱的一天，當(dāng)人們下班回家并啟動空調(diào)時，公用事業(yè)必須采用負(fù)載平衡策略來滿足高峰需求：在幾分鐘內(nèi)提高發(fā)電量的一些方法，以避免停電或停電，否則可能導(dǎo)致電網(wǎng)停電。

如今，公用事業(yè)公司通常會通過啟動按需或“可調(diào)度”發(fā)電廠來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這些發(fā)電廠可能在一天中大部分時間閑置，但可以在幾分鐘內(nèi)上線 - 產(chǎn)生快速能源但增加碳排放。一些公用事業(yè)公司開發(fā)了短期負(fù)荷平衡，不依賴于化石燃料燃燒設(shè)備。這種策略最常見和最具成本效益的是抽水蓄能：使用多余的電力將水輸送到上坡，然后讓它回流以在高峰需求期間產(chǎn)生能量。然而，水力發(fā)電存儲僅適用于有水和空間的地區(qū)，因此為了使風(fēng)能和太陽能更加有用DOE鼓勵使用高容量電池作為替代方案。

高容量，低成本

崔說，市場上有幾種類型的可充電電池技術(shù)，但目前尚不清楚哪種方法能夠滿足能源部的要求，并證明其對維護(hù)國家電網(wǎng)的公用事業(yè)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他利益相關(guān)者的實(shí)用性。

例如，崔說，可充電鋰離子電池，存儲運(yùn)行手機(jī)和筆記本電腦所需的少量能源，是基于稀有材料，因此太昂貴，無法存儲鄰里或城市的電力。崔說，電網(wǎng)規(guī)模的存儲需要一個低成本，高容量，可充電的電池，錳氫工藝似乎很有希望。

“其他可充電電池技術(shù)在一生中很容易超過成本的5倍，”崔補(bǔ)充道。

陳說，新型化學(xué)，低成本材料和相對簡單使錳氫電池成為低成本電網(wǎng)規(guī)模部署的理想選擇。

“我們在Nature Energy上報告的突破有可能符合DOE的電網(wǎng)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)，”Chen說。

原型需要開發(fā)工作來證明自己。一方面，它使用鉑作為催化劑來刺激電極上的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，使充電過程高效，并且該組件的成本對于大規(guī)模部署來說是不可取的。但陳說，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究更便宜的方法來誘導(dǎo)硫酸錳和水進(jìn)行可逆電子交換。

“我們已經(jīng)確定了可能使我們低于每千瓦時DOE目標(biāo)100美元的催化劑，”他說。

研究人員報告說，對原型進(jìn)行了10,000次充電，這是DOE要求的兩倍，但他們表示有必要在實(shí)際電網(wǎng)儲存條件下測試錳氫電池，以便真正評估其壽命性能和成本。

崔說他已經(jīng)通過斯坦福技術(shù)許可辦公室尋求專利流程，并計劃組建一家公司將該系統(tǒng)商業(yè)化。

Yi Cui還是SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室光子科學(xué)理事會的教授，以及Precourt能源研究所的高級研究員，Stanford Bio-X和斯坦福神經(jīng)科學(xué)研究所的成員。其他共同作者包括材料科學(xué)與工程訪問學(xué)者李國棟，現(xiàn)在與中國科學(xué)院合作; 博士后學(xué)者王紅霞，萬家玉，廖磊，陳光緒，王姜燕; 訪問學(xué)者郝章; 和研究生鄭亮，李章章和艾倫裴。