Rekor Kıran Yeni Nesil Akış Bataryası Tasarımı
Rekor kıran deneyler, yaygın gıda ve ilaç katkı maddelerinin yeni nesil akış pillerinin kapasitesini ve ömrünü artırabileceğini gösterdi.
Enerji Bakanlığı’nın Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuvarı’ndan bir grup araştırmacı, elektrik şebekesinde enerji depolamak üzere optimize edilen ve tasarlanan akış pillerinin, bir yıldan uzun bir süre boyunca sürekli şarj ve deşarj halinde enerji depolama ve serbest bırakma yeteneklerini koruduğunu bildirdi.
Joule dergisinde yeni yayınlanan çalışma, pil ömrünü ve kapasitesini artırmak için β-siklodekstrin adı verilen bir nişasta türevi olan çözünür monosakkaritlerin ilk kullanımını detaylandırıyor. Bir dizi deneyde bilim insanları, en yüksek gücü %60 artırana kadar sistemdeki kimyasalların oranını optimize etti.
Deneyler daha sonra sadece plastik tüpler hasar gördüğünde durduruldu ve piller bir yıldan fazla bir süre boyunca tekrar tekrar çalıştırıldı. Bu süre zarfında akış pili şarj için nadiren çevrimdışı bırakıldı. Bu, bir yıldan fazla sürekli kullanım ve minimum kapasite kaybı bildiren laboratuvar ölçekli bir akış pili deneyinin ilk örneğidir.
β-siklodekstrin katkı maddesi aynı zamanda homojen kataliz olarak bilinen bir süreç olan akışkan pillerde enerji depolayan ve serbest bırakan elektrokimyasal reaksiyonları kolaylaştıran ilk katkı maddesidir. Bu, şekerin rolünü bir yüzeye uygulanan katı bir madde olarak değil, çözelti içinde çözünmüş bir madde olarak yerine getirdiği anlamına gelmektedir.
Bu, akış pilleri için elektrolit geliştirmeye yönelik tamamen yeni bir yaklaşımdır. Ayrıca, katı elektrolit sıvı elektrolit içinde çözündüğünden, katı elektrolitin yerinden oynaması ve sistemi kirletmesi ihtimali yoktur.
Akış bataryası nedir?
Adından da anlaşılacağı gibi, bir akış aküsü her biri farklı bir sıvıyla dolu iki hazneden oluşur. Akü elektrokimyasal bir reaksiyonla şarj edilir ve kimyasal bağlar yoluyla enerji depolar. Harici bir devreye bağlandığında, bu enerji elektrikli cihazlara güç sağlamak için serbest bırakılabilir. Akış pilleri, elektrolit sağlamak için sürekli olarak dolaşan iki harici sıvı besleme tankına sahip olmaları bakımından katı hal pillerinden farklıdır. Elektrolit besleme tankları ne kadar büyük olursa, akış bataryası o kadar fazla enerji depolayabilir. Akış bataryası bir futbol sahası büyüklüğünde veya daha büyük olacak şekilde genişletilirse, elektrik şebekesi için bir yedek jeneratör görevi görebilir. Akış pilleri, yenilenebilir kaynaklardan enerji depolamak için karbonsuzlaştırma stratejilerinin temel taşlarından biridir. Akış pillerinin avantajı, PNNL çalışmasında olduğu gibi, laboratuvar tezgahı ölçeğinden şehir bloğu boyutuna kadar her ölçekte üretilebilmeleridir.
Neden yeni tip akış pillerine ihtiyaç var?
Büyük ölçekli enerji depolama, elektrik şebekesi kesintilerine karşı bir tür sigorta sağlar. Evlere ve işyerlerine elektrik tedariki kötü hava koşulları veya yüksek talep nedeniyle kesintiye uğrarsa, büyük ölçekli akış bataryası tesislerinde depolanan enerji kesintilerin en aza indirilmesine veya hizmetlerin yeniden sağlanmasına yardımcı olabilir. Rüzgar, güneş ve hidroelektrik gibi yenilenebilir kaynaklardan daha fazla elektrik üretildikçe bu tür akışkan batarya tesislerine olan ihtiyacın artması beklenmektedir. Bu tür kesintili güç kaynakları, tüketici talebini karşılamak için ihtiyaç duyulana kadar enerjiyi depolayacak bir yer gerektirir.
Bir dizi akış bataryası tasarımı mevcuttur ve bazıları ticari olarak kurulmuştur, ancak mevcut ticari tesisler pahalı ve elde edilmesi zor olan vanadyum gibi minerallere dayanmaktadır. Bu nedenle araştırma ekibi, sentezlenmesi daha kolay, daha kararlı ve toksik olmayan daha yaygın malzemeleri kullanan etkili alternatif teknolojiler arıyor.
DOE Elektrik Enerjisi İdaresi Enerji Depolama Araştırmaları Direktörü Imre Gück, “Her zaman yeryüzünden yeni malzemeler çıkaramayız” diyor. Tıpkı ilaç ve gıda endüstrilerinde olduğu gibi büyük miktarlarda sentezlenebilen kimyasallar kullanarak sürdürülebilir yaklaşımlar geliştirmemiz gerekiyor.
Akış pilleri üzerine yapılan araştırmalar, PNNL’nin şebeke ölçeğinde enerji depolama için yeni teknolojiler geliştirmeye ve test etmeye yönelik amiral gemisi programının bir parçasıdır ve 2024 yılında PNNL’nin Grid Storage Launchpad’inin açılmasıyla hızlanacaktır.
İyi kalitede ‘şekerli su’ akış pilinin etkinliğini artırıyor
Yeni pil tasarımını geliştiren PNNL araştırma ekibi, organik ve kimyasal sentez geçmişine sahip araştırmacılardan oluşuyor. Bu beceriler, pil araştırmalarında kullanılmayan ancak diğer endüstriyel uygulamalar için zaten üretilmekte olan malzemeleri kullanmaya karar verdiklerinde işe yaradı.
“Su bazlı bir elektrolit içinde daha fazla florenol çözmenin basit bir yolunu arıyorduk. Ancak β-siklodekstrinin asıl avantajı bu inanılmaz katalitik yeteneğiydi’. “
Araştırmacılar daha sonra, katalitik güçlendirmenin altında yatan kimya konusunda önde gelen bir uzman olan Yale Üniversitesi’nden ortak yazar Sharon Hammes-Schiffer ile birlikte çalışarak bunun nasıl çalıştığını açıkladılar.
Çalışmada açıklandığı üzere, şeker katkısı pozitif yüklü protonları kabul ediyor ve akü boşalırken negatif elektronların hareketini dengelemeye yardımcı oluyor. Detaylar biraz daha karmaşık, ancak şekerin potu tatlandırarak diğer kimyasalların kimyasal danslarını yapmalarına izin verdiği görülüyor.
Araştırma, PNNL’nin ilk kez 2021 yılında Science dergisinde yayınlanan patentli akış pil tasarımının yeni neslidir. Orada araştırmacılar, florenon adı verilen başka bir yaygın kimyasalın akış pillerinin etkili bir bileşeni olduğunu gösterdi. Ancak, süreç pratik kullanımdaki akışlı pil teknolojisinden daha yavaş olduğu için bu ilk buluşun iyileştirilmesi gerekiyordu. Araştırmacılar, bu yeni gelişmenin pil tasarımını ölçek büyütmeye aday hale getirdiğini söylüyor.
Ekip ayrıca β-siklodekstrine benzer ancak daha küçük diğer bileşiklerle deneyler yaparak sistemi daha da geliştirmek için çalışıyor. Balda olduğu gibi, β-siklodekstrin ilavesi sıvıyı daha kalın hale getirir, bu da akan bir sistem için ideal değildir. Ancak araştırmacılar, avantajların dezavantajlardan daha ağır bastığını tespit etti.
Yeni akışlı pil tasarımının içinde gerçekleşen karmaşık kimyasal reaksiyonları anlamak için Feng ve Wang’ın yanı sıra Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter, Yuyan Shao (PNNL), Benjamin J. G. Rousseau, Hammes-Schiffer (Yale Üniversitesi) ve diğer birçok bilim insanı uzmanlık gerekliydi.
Araştırma ekibi yeni batarya tasarımı için ABD’de patent başvurusunda bulundu.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Rekor Kıran Yeni Nesil Akış Bataryası Tasarımı
Güneş Enerjisinde Büyük Atılım: Kayaları Bataryaya Dönüştürme Yolu Bulundu