W miarę jak świat buduje coraz większe instalacje wiatrowe i słoneczne, szybko rośnie zapotrzebowanie na ekonomiczne, wielkoskalowe energetyczne systemy rezerwowe, zapewniające zasilanie, gdy słońce zachodzi, a powietrze jest spokojne. Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe są nadal zbyt drogie dla większości takich zastosowań, a inne opcje, takie jak pompowanie wody na wyższe poziomy, wymagają specyficznej topografii, która nie zawsze jest dostępna.
Naukowcy z MIT i innych krajów opracowali nowy rodzaj baterii, wykonanej w całości z obfitych i niedrogich materiałów, które mogą pomóc wypełnić tę lukę. Wykonany z niedrogich i powszechnie dostępnych materiałów akumulator aluminiowo-siarkowy może zapewnić niedrogie zapasowe przechowywanie energii ze źródeł odnawialnych. Nowa architektura baterii, która wykorzystuje aluminium i siarkę jako dwa materiały elektrodowe, ze stopionym elektrolitem soli pomiędzy nimi, została opisana w czasopiśmie „Nature”, w artykule profesora MIT Donalda Sadowaya, stworzonym we współpracy z 15 innymi osobami z MIT i z Chin, Kanady i USA (Kentucky i Tennessee).
Oprócz tego, że są drogie, akumulatory litowo-jonowe zawierają łatwopalny elektrolit, co czyni je mniej niż idealnymi do zastosowania w transporcie. Sadoway zaczął więc studiować układ okresowy, szukając tanich metali, które mogłyby zastąpić lit. Mówi, że dominujący na rynku metal, żelazo, nie ma odpowiednich właściwości elektrochemicznych do zbudowania wydajnego akumulatora. Ale drugim co do ilości metalem na rynku – a właściwie najpowszechniejszym metalem na Ziemi – jest aluminium.
Następnie podjęto decyzję, z czym sparować aluminium dla drugiej elektrody i jaki rodzaj elektrolitu umieścić pomiędzy, aby umożliwić transport jonów pomiędzy elektrodami podczas ładowania i rozładowywania akumulatora. Najtańszym ze wszystkich niemetali jest siarka, która stała się drugim materiałem elektrodowym. – Nie zamierzaliśmy używać lotnych, łatwopalnych cieczy organicznych, które czasami prowadziły do niebezpiecznych pożarów w samochodach i innych zastosowaniach akumulatorów litowo-jonowych – mówi o budowie elektrolitu Sadoway. Wypróbowano kilka polimerów, ale ostatecznie przyjrzano się różnym stopionym solom, które mają stosunkowo niskie temperatury topnienia – bliskie temperaturze wrzenia wody, w przeciwieństwie do prawie 1000 °F dla wielu soli.
Artystyczny rendering baterii wapniowej – Christine Daniloff/MIT
W swoich eksperymentach zespół wykazał, że ogniwa akumulatora mogą wytrzymać setki cykli przy wyjątkowo wysokich szybkościach ładowania, przy przewidywanym koszcie na ogniwo wynoszącym około jedną szóstą porównywalnych ogniw litowo-jonowych. Co zaskakujące, stopiona sól, którą zespół wybrał jako elektrolit po prostu ze względu na niską temperaturę topnienia, okazała się mieć przypadkową przewagę. Jednym z największych problemów związanych z niezawodnością baterii jest tworzenie się dendrytów – wąskich kolców metalu, które gromadzą się na jednej elektrodzie i ostatecznie rozrastają się, aby stykać się z drugą elektrodą, powodując zwarcie i obniżając wydajność. Okazało się jednak, że ta konkretna sól jest bardzo dobra w zapobieganiu tej awarii. Sól chloroglinianowa, którą wybrano, nie wytwarza takich dendrytów, a jednocześnie umożliwia bardzo szybkie ładowanie.
Ta nowa formuła baterii może być idealna dla instalacji o rozmiarach potrzebnych do zasilania pojedynczego domu, małej lub średniej firmy, potrzebujących pojemności rzędu kilkudziesięciu kilowatogodzin. W przypadku większych instalacji, o skali użytkowej od dziesiątek do setek MWh, inne technologie mogą być bardziej efektywne, w tym akumulatory z ciekłym metalem, które Sadoway i jego zespół opracowali kilka lat temu. Akumulatory z ciekłym metalem stały się podstawą dla firmy spinoff o nazwie Ambri, która ma nadzieję na dostarczenie pierwszych produktów w ciągu najbliższego roku. Za ten wynalazek Sadoway otrzymał niedawno tegoroczną nagrodę Europejskiego Wynalazcy.
Mniejsza skala akumulatorów aluminiowo-siarkowych oraz ich możliwości szybkiego ładowania i rozładowywania umożliwią również ich praktyczne zastosowanie w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych. Kiedy pojazdy elektryczne staną się powszechne, kilka samochodów będzie musiało ładować się jednocześnie. Wtedy chwilowo potrzebna będzie dostępność dużej ilości prądu. Akumulatory aluminiowo-siarkowe idealnie nadają się do buforowania energii w takich sytuacjach. Posiadanie takiego systemu baterii do przechowywania energii, a następnie szybkiego jej uwalniania w razie potrzeby, może wyeliminować potrzebę instalowania drogich, nowych linii zasilających do obsługi tych ładowarek.
W skład zespołu badawczego weszli członkowie z: Uniwersytetu Pekińskiego, Uniwersytetu Yunnan i Politechniki Wuhan w Chinach; Uniwersytetu Louisville w Kentucky; Uniwersytetu Waterloo w Kanadzie; Argonne National Laboratory w Illinois; i MIT. Prace wsparły Inicjatywa Energetyczna MIT, Centrum Innowacji Technologicznych MIT Deshpande oraz Grupa ENN.
Zdjęcie główne: Trzy podstawowe składniki akumulatora to aluminium (po lewej), siarka (w środku) i kryształy soli kamiennej (po prawej). Wszystkie są dostępnymi w kraju materiałami obficie występującymi na Ziemi, niewymagającymi globalnego łańcucha dostaw. Autorka zdjęcia: Rebecca Miller.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology, USA Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
