تعد بطارية الألومنيوم والكبريت بتخزين طاقة منخفض التكلفة

دونالد سادواي كان عضوًا في هيئة التدريس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا منذ عام 1978 ، حيث كان يقوم بتدريس مقرر في كيمياء الحالة الصلبة منذ 16 عامًا. بالإضافة إلى واجباته التدريسية ، فقد شارك أيضًا بشكل مباشر في البحث حول كيفية صنع بطاريات تكلفتها أقل من بطاريات الليثيوم أيون. حديثاً، أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن Sadoway وشركائه في البحث قد ابتكروا بطارية من الألومنيوم الكبريتية يمكنها فعل ذلك تمامًا. أجرى البحث علماء في جامعة بكين ، وجامعة يونان ، وجامعة ووهان للتكنولوجيا في الصين ؛ جامعة لويزفيل في كنتاكي ؛ جامعة واترلو في كندا ؛ مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي ؛ و MIT.

تستخدم بنية البطاريات الجديدة الألومنيوم والكبريت كمواد قطب كهربي ، مع إلكتروليت ملح مصهور بينهما. مع ارتفاع سعر الليثيوم بسبب زيادة الطلب ، يحتاج العالم إلى بدائل غير مكلفة. الألمنيوم والكبريت وفير ورخيص. يقول Sadoway أن خلايا بطارية الألومنيوم والكبريت ستكلف حوالي 9 دولارات لكل كيلو وات في الساعة ، وهو أقل بكثير من خلايا بطارية ليثيوم أيون المتاحة حاليًا. الخلايا الجديدة ليست مناسبة للاستخدام في السيارات الكهربائية ، ولكنها قد تخفض تكلفة بطاريات التخزين الصغيرة للمنازل والعملاء من الشركات الصغيرة ، مما قد يجعل المزيد من الخلايا القائمة على الليثيوم متاحة لقطاع النقل. تم نشر البحث مؤخرًا في المجلة طبيعة سجية.

بدأ Sadoway بدراسة الجدول الدوري ، بحثًا عن المعادن الرخيصة والوفرة التي قد تكون قادرة على استبدال الليثيوم. الحديد ، الذي أصبح بشكل متزايد اختيار شعبي، ليس لديه الخصائص الكهروكيميائية الصحيحة لبطارية فعالة ، كما يقول. ولكن الألومنيوم – أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض – هل. “لذا ، قلت ، حسنًا ، دعونا نجعل ذلك مجرد نهاية مسودة. سيكون من الألومنيوم “، كما يقول.

ثم جاء تحديد ما يجب إقران الألمنيوم به للقطب الكهربي الآخر ، ونوع الإلكتروليت الذي يجب وضعه بينهما لحمل الأيونات ذهابًا وإيابًا أثناء الشحن والتفريغ. الكبريت هو الأرخص من بين جميع المواد غير المعدنية ، لذلك أصبح مادة القطب الكهربائي الثانية. بالنسبة للإلكتروليت ، “لن نستخدم السوائل العضوية المتطايرة والقابلة للاشتعال” التي أدت في بعض الأحيان إلى حرائق خطيرة في السيارات والتطبيقات الأخرى لبطاريات الليثيوم أيون ، كما يقول سادواي.

جرب الباحثون بعض البوليمرات ، لكن انتهى بهم الأمر إلى النظر إلى مجموعة متنوعة من الأملاح المنصهرة التي لها نقاط انصهار منخفضة نسبيًا – بالقرب من نقطة غليان الماء بدلاً من 1000 درجة فهرنهايت تقريبًا للعديد من الأملاح. “بمجرد أن تصل إلى درجة حرارة قريبة من الجسم ، يصبح من العملي” صنع بطاريات لا تتطلب عزلًا خاصًا وإجراءات مقاومة التآكل ، كما يقول.

المكونات الثلاثة التي انتهى بهم الأمر بها رخيصة ومتوفرة بسهولة – الألمنيوم ، لا يختلف عن رقائق الألومنيوم في السوبر ماركت ؛ الكبريت ، والذي غالبًا ما يكون ناتجًا نفايات من عمليات مثل تكرير البترول ؛ والأملاح المتوفرة على نطاق واسع. يقول سادواي: “المكونات رخيصة ، والشيء آمن – لا يمكن أن يحترق” أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

أظهر الفريق في تجاربهم أن خلايا البطارية يمكن أن تتحمل مئات الدورات بمعدلات شحن عالية بشكل استثنائي. كان معدل الشحن وثيق الصلة بدرجة حرارة المنحل بالكهرباء. عند درجة حرارة 110 درجة مئوية (230 درجة فهرنهايت) ، تم شحن البطاريات التجريبية أسرع 25 مرة مما كانت عليه عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت).

الصدفة تحدث

اختار الباحثون الإلكتروليت ببساطة بسبب انخفاض درجة انصهاره ، لكن اتضح أن له ميزة كبيرة. واحدة من أكبر المشاكل في موثوقية البطارية هي تشكيل التشعبات – مسامير ضيقة من المعدن تتراكم على قطب كهربائي واحد وتنمو في النهاية لتلامس القطب الآخر. عندما يحدث ذلك ، فإنه يتسبب في حدوث ماس كهربائي ، والذي لا يعيق الكفاءة فحسب ، بل يمكن أن يؤدي إلى “الهروب الحراري” – وهي طريقة مهذبة لقول حريق البطارية. لكن تبين أن الإلكتروليت الذي بدأوا به كان جيدًا جدًا في منع تكوين التشعبات.

يقول سادواي إن ملح الكلورو ألومينات الذي اختاروه “تقاعد بشكل أساسي من هذه التشعبات الجامحة ، مع السماح أيضًا بشحن سريع للغاية”. “لقد أجرينا تجارب بمعدلات شحن عالية جدًا ، وشحننا في أقل من دقيقة ، ولم نفقد خلايا أبدًا بسبب تقصير التغصنات.”

يقول: “إنه أمر مضحك” ، لأن التركيز كله كان على إيجاد ملح ذي أدنى نقطة انصهار ، ولكن تبين أن الكلورو ألومينات التي انتهى بها الأمر كانت مقاومة لمشكلة التقصير. يقول سادواي: “إذا بدأنا بمحاولة منع الاختصار الشجيري ، فلست متأكدًا من أنني كنت سأعرف كيفية متابعة ذلك”. “أعتقد أنها كانت صدفة بالنسبة لنا.”

لا تحتاج بطارية الألومنيوم والكبريت إلى مصدر حرارة خارجي

وجد الباحثون أن بطارية الألومنيوم والكبريت التي كانوا يعملون عليها لا تتطلب مصدر حرارة خارجيًا للحفاظ على درجة حرارة التشغيل. يتم إنتاج الحرارة بشكل طبيعي كهربائيًا كيميائيًا عن طريق شحن البطارية وتفريغها. “أثناء الشحن ، تولد الحرارة ، وهذا يمنع الملح من التجمد. وبعد ذلك ، عندما تقوم بتفريغه ، فإنه يولد أيضًا حرارة “، كما يقول سادواي.

في التثبيت النموذجي المستخدم لتسوية الحمل في منشأة لتوليد الطاقة الشمسية ، على سبيل المثال ، “ستخزن الكهرباء عندما تكون الشمس مشرقة ، وبعد ذلك ستسحب الكهرباء بعد حلول الظلام ، وستفعل ذلك كل يوم. وهذا الشحنة – الخمول – التفريغ – الخمول كافٍ لتوليد حرارة كافية لإبقاء الشيء في درجة حرارة. “

كما أن الحجم الأصغر لبطاريات الألومنيوم والكبريت يجعلها عملية للاستخدامات مثل محطات شحن السيارات الكهربائية. يقول Sadoway عندما تريد العديد من السيارات الكهربائية الشحن في وقت واحد ، “إذا كنت تريد شحنًا سريعًا ، فإن التيار الكهربائي مرتفع جدًا لدرجة أنه ليس لدينا هذا القدر من التيار في الخط الذي يغذي المنشأة.” إن امتلاك بطارية كبريت من الألومنيوم لتخزين الطاقة ثم تحريرها بسرعة عند الحاجة يمكن أن يقضي على الحاجة إلى تركيب خطوط طاقة جديدة باهظة الثمن لخدمة هذه الشواحن. اضافة بطاريات لمحطات الشحن بدأ يحدث بالفعل في العديد من المواقع. ستقلل البطاريات الجديدة بشكل كبير من تكلفة إضافة تخزين البطارية إلى مواقع شحن المركبات الكهربائية.

التكنولوجيا الجديدة هي بالفعل الأساس لشركة فرعية تسمى Avanti ، شارك في تأسيسها Sadoway و Luis Ortiz ، والتي رخصت براءات الاختراع للنظام. يقول سادواي: “أول طلب عمل للشركة هو إثبات أنها تعمل على نطاق واسع” ، ثم إخضاعها لسلسلة من اختبارات الضغط ، بما في ذلك إجراء مئات من دورات الشحن.

هل ستعرض البطارية التي تعتمد على الكبريت لخطر إنتاج الروائح الكريهة المرتبطة ببعض أشكال الكبريت؟ ليست فرصة ، كما يقول سادواي. “إن رائحة البيض الفاسد موجودة في الغاز ، كبريتيد الهيدروجين. هذا عنصر كبريت ، وسيتم وضعه داخل الخلايا “. إذا حاولت فتح خلية أيونات الليثيوم في مطبخك ، يقول ، “ستتفاعل الرطوبة في الهواء وستبدأ في توليد جميع أنواع الغازات الكريهة أيضًا. هذه أسئلة مشروعة ، لكن البطارية مغلقة ، إنها ليست وعاءً مفتوحًا. لذلك لن أشعر بالقلق حيال ذلك “.

الوجبات الجاهزة

تظهر تقنيات البطاريات الجديدة في جميع أنحاء العالم ، ولكن أي شيء مرتبط به اسم دونالد سادواي يستحق الدراسة. هناك الكثير من القلق حول مدى تغلغل التعدين وكيف أن البحث عن مواد البطاريات له عواقب بيئية. (الغريب أن تمزيق قمم الجبال ورميها في الوديان أدناه للوصول إلى الفحم لا يبدو أنه يثير نفس المخاوف.) يبدو أن إنشاء تقنيات بطاريات جديدة تستخدم بعضًا من أكثر المعادن وفرة على الأرض أمر لا يحتاج إلى تفكير. ، إذا كان الأداء الناتج قريبًا من قبوله للاستخدامات التجارية.

يوضح هذا البحث أيضًا كيف أن شيطنة الأشخاص الذين يصادف أن يكونوا صينيين يمكن أن يؤخر البحث النقدي اللازم لمعالجة الاحتباس الحراري بشكل فعال. نحن جميعًا في هذا معًا ، وسيتطلب الأمر منا جميعًا العمل معًا للحفاظ على الأرض صالحة للسكن للأجيال القادمة من البشر. الحاجة كبيرة والوقت حان الآن. دعونا نتوقف عن الخلاف مع بعضنا البعض ونحل المشاكل التي تواجهنا جميعًا. وهذا يعني انتخاب ممثلين يدعمون الطاقة النظيفة للبشرية جمعاء.


 

هل نقدر أصالة CleanTechnica والتغطية الإخبارية للتكنولوجيا النظيفة؟ فكر في أن تصبح أ عضو في CleanTechnica أو داعم أو فني أو سفير – أو راعي على باتريون.


لا تريد أن تفوتك قصة التكنولوجيا النظيفة؟ وقع من أجل تحديثات الأخبار اليومية من CleanTechnica على البريد الإلكتروني. أو تابعونا على أخبار جوجل!


هل لديك نصيحة بخصوص CleanTechnica ، أو تريد الإعلان ، أو تريد اقتراح ضيف على بودكاست CleanTech Speak الخاص بنا؟ اتصل بنا هنا.


الإعلانات




The Information Weblog The place You Get The Information First
CleanTechnica

brain2gain