研究人员正在研究提高电池性能的新颖方法

 
宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在寻找改善储能的创新方法，以更好地利用可再生能源技术。
宾州州立大学能源工程学助理教授德里克·霍尔(Derek Hall)表示：“阻止我们严重依赖可再生能源系统的主要障碍之一是，当它们为我们供电时，我们无法进行监管。” “理想情况下，我们希望找到某种能补充可再生能源的储能技术，以帮助我们过渡到更可持续的能源基础设施。”
风能和太阳能等可再生能源系统能够产生足够的电力为整个社区供电。但是，它们依靠自然过程来生产所需的电能，自然可能是不可预测的。这导致可再生能源发电的潮起潮落。有时，风能和太阳能的发电量超过了电网所能承受的水平，将电价推向了负面。另外，如果风停或天气恶劣，生产暂停，价格暴涨。
这一现象促使霍尔通过宾夕法尼亚州立大学的多个合作研究项目开始探索更具成本效益的储能策略。
增强电池化学性能
霍尔与环境工程副教授克里斯托弗·戈尔斯基(Christopher Gorski)以及能源与矿物工程与材料科学与工程学教授，EMS能源研究所电化学技术计划主任Serguei Lvov一起，正在使用配体化学来增强电化学性能得益于能源与环境研究所(IEE)和材料研究所的资助，可以降低电池化学的成本。
霍尔说：“我们的目标是设法找到更便宜的材料来制造电池。” “阻碍我们前进的主要障碍是，大多数廉价材料的储能密度较小，从而导致电池性能不佳。”
配体是与中心金属结合的离子或分子。它们通常用于自然和仿生过程中以改变金属的反应性，但以前尚未在液流电池中使用。研究人员正在使用比传统材料(例如锂，钴和钒)便宜的铜，铁和铬等材料，并将它们与配体配对，以显着降低与生产电池相关的资本成本。
然后，研究小组将进行实验以确定金属-配体络合物是否达到高能量存储密度。他们将分三个步骤进行：热力学，动力学和全细胞测试。在每个步骤中，将针对典型的氧化还原液流电池测试不同的关键参数。热力学阶段将探索配体如何影响电极电势，然后动力学阶段将测试可以利用多少电流。最后，研究人员将一起测试所有组件，以查看它们如何协同工作。
霍尔说：“这个故事的许多部分仍然缺失，因此，这在很大程度上将是一项基础研究项目。” “没有真正统一的理论来解释配体如何影响电化学反应。”
研究人员希望这个名为“通过配体增强的氧化还原反应的新型低成本液流电池化学”的项目将提供进行更大的资助以开发新型液流电池化学所需的初步结果，并获得有关配体为何以及如何改变分子结构的基本见解。金属络合物的反应性。
霍尔说：“我们需要开始探索所有的储能方案，因为从基础设施到可再生能源的转换是一个重大的过渡，需要时间。” “当我们建立化石燃料基础设施时，我们做了数十年。现在，我们需要弄清楚什么是最佳选择，或者大多数功能选择，然后很快就进行大量构建。”
将废热转化为电能
霍尔还与环境工程学教授布鲁斯·洛根(Bruce Logan)和机械工程学助理教授马修·劳(Matthew Rau)合作，进行另一项种子基金资助的研究，该基金旨在提高充有废热的液流电池的性能和功率输出能力而不是电力。
霍尔说：“即使有少量需求，如果我们能够找到一种将余热转化为电能的方法，也可以帮助减少我们对更多电能的需求。”
与Hall的其他项目一样，该团队正在使用一种液流电池技术，但是具有独特的热充电方法。该项目名为“使用先进的流通池拓扑结构来提高新型热充电液流电池的功率密度和循环效率”，它将尝试通过独特的电池流场设计来提高功率密度。他们将使用COMSOL Multiphysics软件通过计算建模来完成此任务。
Rau说：“我们正在研究的技术使用一种特定的化学成分，您可以在其中利用废热代替电来补充化学反应。”
在传统的电池中，化学反应会产生放电电位，从而产生电能。反向进行充电过程时，必须使用一些电。对于这项新技术，研究人员将通过利用废热分离两种化学物质为电池充电。当这些化学物质重新结合在一起时，它们将产生化学反应并产生电能，因此无需使用额外的电能即可为电池充电。
Rau说：“与传统的能量存储方法(例如锂离子电池)相比，这将是一项竞争技术，但它在不需要电力的情况下具有独特性。” “它需要热量来充电，所以我们实质上是在开发一种新的资源，它有可能为工业过程或部分电网供电。”
Rau说，基本概念大约已经存在了五年，但是研究人员正在寻求改善基本模型的性能，以便使其在商业上可行。
他说：“开发这项技术并不容易。” “这些电池使电解质通过多孔电极流动。仅通过流体流动就足以进行建模，甚至不考虑也发生化学反应。我们正在开发专业知识，以准确地建模这些电池中的流体如何影响不同的化学反应，以及最终如何这些参数与电池的输出功率有关。”
研究人员希望在开始这项研究之前进行的初步实验为他们提供成功所需的工具。
Rau说：“我们目前在工业和发电中几乎没有余热。” “它只是随冷却水一起被丢弃，或者被排放到排气烟囱中的大气中。如果我们能够真正利用废热，我们将提高许多不同行业的能源效率。”
霍尔说，这些项目说明了开发与可再生能源技术完美结合的大规模储能技术的必要性。
他补充说：“不会有一种解决方案能胜出。” “这很可能是一种混合。这是种全盘的情况。我们真的不知道哪个会解决或何时需要，所以我认为探索多种选择是最好的前进的道路。”