Прототип размером с ладонь производит в три раза больше энергии за квадратный сантиметр, чем другие membraneless системы – плотность энергии, которая является порядком величины выше, чем тот из многих литий-ионных аккумуляторов и других коммерческих и экспериментальных систем аккумулирования энергии.Энергия магазинов и выпусков устройства в устройстве, которое полагается на явление, названное ламинарным течением: Две жидкости накачаны через канал, подвергнувшись электрохимическим реакциям между двумя электродами, чтобы сохранить или выпустить энергию. При правильных условиях, потоке решений через параллельно, с очень небольшим смешиванием. Поток естественно отделяет жидкости, не требуя дорогостоящей мембраны.
Реагенты в батарее состоят из жидкого раствора брома и водородного топлива. Группа приняла решение работать с бромом, потому что химикат относительно недорог и доступен в больших количествах больше чем с 243 000 тонн, производимыми каждый год в Соединенных Штатах.В дополнение к низкой стоимости и изобилию брома, химической реакции между водородом и бромом поддерживает большой потенциал для аккумулирования энергии. Но у проектов топливного элемента на основе водорода и брома в основном были смешанные результаты: гидробромноватая кислота имеет тенденцию разрушать мембрану батареи, эффективно замедляя хранящую энергию реакцию и уменьшая жизнь батареи.
Чтобы обойти эти проблемы, команда приземлилась на простое решение: Выньте мембрану.«У этой технологии есть столько же обещания сколько что-либо еще исследуемое для хранения, если не больше», говорит Каллен Буи, доцент машиностроения в MIT. «Вопреки предыдущим мнениям, что membraneless системы чисто академические, эта система могла потенциально оказать большое практическое влияние».
Buie, наряду с Мартином Бэзэнтом, преподавателем химического машиностроения, и Уильямом Браффом, аспирантом в машиностроении, издали свои результаты на этой неделе по своей природе Коммуникации.«Здесь, у нас есть система, где работа так же хороша как предыдущие системы, и теперь мы не должны волноваться о проблемах мембраны», говорит Бэзэнт. «Это – что-то, что может быть квантовым прыжком в технологии аккумулирования энергии».Возможное повышение для солнечной и ветровой энергии
У недорогого аккумулирования энергии есть потенциал, чтобы способствовать широкому использованию возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергия. До настоящего времени такие источники энергии были ненадежны: Ветры могут быть капризными, и безоблачные дни никогда не гарантируются.
С дешевыми технологиями аккумулирования энергии возобновляемая энергия могла бы быть сохранена и затем распределена через электрическую сетку во времена требования пиковой мощности.«Аккумулирование энергии – ключевая технология предоставления возможности для возобновляемых источников энергии», говорит Буи. «Пока Вы не можете сделать [аккумулирование энергии] надежный и доступный, не имеет значения, как дешевый и эффективный Вы можете сделать ветер и солнечный, потому что наша сетка не может обращаться с перебоями тех возобновляемых технологий».
Проектируя батарею потока без мембраны, Буи говорит, что группа смогла снять два больших барьера к аккумулированию энергии: стоимость и работа. Мембраны часто – самый дорогостоящий компонент батареи и самое ненадежное, поскольку они могут разъесть с повторным воздействием определенных реагентов.Брафф построил прототип батареи потока с маленьким каналом между двумя электродами. Через канал группа накачала жидкий бром по катоду графита и гидробромноватую кислоту под пористым анодом.
В то же время исследователи текли водородный газ через анод. Получающиеся реакции между водородом и бромом произвели энергию в форме свободных электронов, которые могут быть освобождены от обязательств или выпущены.
Исследователи также смогли полностью изменить химическую реакцию в канале, чтобы захватить электроны и энергию магазина – первое для любого дизайна membraneless.В экспериментах Брафф и его коллеги управляли батареей потока при комнатной температуре в диапазоне концентраций реагента и скоростей потока жидкости. Они нашли, что батарея произвела плотность максимальной мощности 0,795 ватт сохраненной энергии за квадратный сантиметр.
Больше хранения, менее стоимостьВ дополнение к проведению экспериментов исследователи составили математическую модель, чтобы описать химические реакции в системе водородного брома. Их предсказания из модели согласились с их результатами эксперимента – результат, который Бэзэнт рассматривает как обещающий для дизайна будущих повторений.
«У нас есть средство проектирования теперь, когда вселяет нам веру, что, поскольку мы пытаемся расширить эту систему, мы можем принять рациональные решения относительно того, каковы оптимальные системные размеры должны быть», говорит Бэзэнт. «Мы полагаем, что можем побить рекорды плотности энергии с большим количеством разработки, управляемой моделью».Юрий Гогоци, преподаватель материаловедения и разработки в Университете Дрекселя, говорит, что устранение мембраны является следующим шагом к масштабируемому, недорогому аккумулированию энергии.
Дизайн группы, он говорит, поможет инженерам лучше понять физику membraneless систем.«У Вас не может быть недорогой системы аккумулирования энергии, накапливая десятки тысяч отдельных маленьких клеток, как батареи сотового телефона или компьютера», говорит Гоготси, который не способствовал исследованию. «Как любая новая технология, батарее ламинарного течения будет требоваться время, чтобы доказать его жизнеспособность.
Это похоже на новорожденного ребенка – мы будем только знать то, для чего технология хороша после нескольких лет».Согласно предварительным прогнозам, Брафф и его коллеги оценивают, что батарея потока membraneless может произвести энергию, стоящую всего 100$ в час киловатта – цель, которую оценило американское Министерство энергетики, было бы экономически привлекательно для коммунальных предприятий.
«Вы можете сделать так много, чтобы сделать сетку более эффективной, если Вы можете добраться до пункта стоимости как этот», говорит Брафф. «Большинство систем – легко порядок величины выше, и ничей когда-либо построенный что-либо по той цене».