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  • I ricercatori esaminano nuovi metodi per migliorare le prestazioni della batteria

    I ricercatori stanno cercando modi per migliorare lo stoccaggio dell'energia in modo da poter utilizzare meglio le tecnologie delle energie rinnovabili. Credito:AdobeStock

    I ricercatori della Penn State stanno cercando modi innovativi per migliorare lo stoccaggio di energia nel tentativo di utilizzare meglio le tecnologie delle energie rinnovabili.

    "Uno dei principali ostacoli che ci impedisce di fare molto affidamento sui sistemi di energia rinnovabile è che non possiamo regolamentare quando ci forniscono energia, " disse Derek Hall, assistente professore di ingegneria energetica alla Penn State. "Idealmente, vogliamo trovare una sorta di tecnologia di stoccaggio dell'energia che possa integrare le energie rinnovabili per aiutarci a passare a un'infrastruttura energetica più sostenibile".

    Sistemi di energia rinnovabile, come l'eolico e il solare, sono in grado di produrre elettricità sufficiente per alimentare intere comunità. Però, si basano su processi naturali per produrre l'elettricità necessaria, e la natura può essere imprevedibile. Ciò si traduce in flussi e riflussi nella produzione di elettricità rinnovabile. A volte, eolico e solare sono in grado di produrre più di quanto la rete possa gestire, portando i prezzi dell'elettricità in negativo. In alternativa, se il vento si ferma o c'è un periodo di maltempo, la produzione si ferma e i prezzi salgono alle stelle.

    Questo fenomeno ha ispirato Hall a iniziare a esplorare più convenienti, strategie di stoccaggio dell'energia attraverso molteplici progetti di ricerca collaborativa presso Penn State.

    Miglioramento della chimica delle batterie

    Sala, insieme a Christopher Gorski, professore associato di ingegneria ambientale, e Serguei Lvov, professore di ingegneria energetica e minerale e scienza e ingegneria dei materiali e direttore del programma di tecnologie elettrochimiche presso l'EMS Energy Institute, stanno utilizzando la chimica del ligando per migliorare le prestazioni elettrochimiche di prodotti chimici delle batterie più economici, grazie a un contributo dell'Istituto per l'Energia e l'Ambiente (IEE) e dell'Istituto di Ricerca sui Materiali.

    "L'obiettivo è cercare di trovare materiali più economici con cui realizzare le batterie, "Ha detto Hall. "L'ostacolo principale che ci ferma è che la maggior parte dei materiali economici ha piccole densità di accumulo di energia, che porta a scarse prestazioni della batteria."

    I ligandi sono ioni o molecole che si legano a un metallo centrale. Sono comunemente usati in natura e nei processi biomimetici per alterare la reattività dei metalli, ma non sono stati precedentemente utilizzati nelle batterie a flusso. I ricercatori stanno utilizzando materiali come rame, ferro e cromo, che sono più economici dei materiali tradizionali come il litio, cobalto e vanadio, e accoppiandoli con ligandi nel tentativo di ridurre significativamente i costi di capitale associati alla produzione di batterie.

    Il team eseguirà quindi esperimenti per identificare se i complessi metallo-ligando raggiungono densità di accumulo di energia elevate. Lo faranno in tre fasi:termodinamica, cinetico, e test su cella completa. In ogni passo, diversi parametri chiave saranno testati per una tipica batteria a flusso redox. La fase termodinamica esplorerà come i ligandi influiscono sul potenziale dell'elettrodo, quindi la fase cinetica verificherà quanta corrente elettrica può essere imbrigliata. Finalmente, i ricercatori testeranno insieme tutti i componenti per vedere come funzionano all'unisono.

    "Mancano ancora molte parti di questa storia, quindi questo sarà in gran parte un progetto di ricerca fondamentale, "Ha detto Hall. "Non esiste una vera teoria unificata che spieghi come i ligandi influenzino le reazioni elettrochimiche".

    I ricercatori sperano che questo progetto, intitolato "Nuove soluzioni chimiche per batterie a flusso a basso costo tramite reazioni redox potenziate dal ligando, " fornirà i risultati preliminari necessari per perseguire sovvenzioni più ampie volte allo sviluppo di nuove sostanze chimiche per batterie a flusso e acquisire conoscenze fondamentali sul perché e come i ligandi alterano le reattività dei complessi metallici.

    "Dobbiamo iniziare a esplorare tutte le nostre opzioni per lo stoccaggio dell'energia perché il passaggio della nostra infrastruttura alle energie rinnovabili è una transizione importante che è sensibile al tempo, "Ha detto Hall. "Quando abbiamo costruito la nostra infrastruttura per i combustibili fossili, lo abbiamo fatto per molti decenni. Ora dobbiamo capire quali sono le scelte migliori, o scelte più funzionali, sono, e poi costruirne un sacco molto presto."

    Conversione del calore di scarto in energia

    Hall sta anche lavorando con Bruce Logan, professore di ingegneria ambientale, e Matteo Rau, professore assistente di ingegneria meccanica, sulla ricerca finanziata attraverso un'altra sovvenzione seme che mira a migliorare le prestazioni e le capacità di uscita di potenza delle batterie a flusso che vengono caricate con calore di scarto anziché con elettricità.

    "Se potessimo trovare un modo per reindirizzare il calore di scarto in elettricità, anche se è una piccola quantità su richiesta, questo può aiutare a ridurre il nostro bisogno di una maggiore generazione di elettricità, "Ha detto Sala.

    Come con l'altro progetto di Hall, questa squadra sta utilizzando un tipo di tecnologia della batteria a flusso, ma con un metodo di ricarica termica unico. Il progetto, intitolato "Aumento della densità di potenza e dell'efficienza del ciclo del romanzo, Batterie di flusso a carica termica che utilizzano topologie di celle a flusso avanzate, " cercherà di migliorare la densità di potenza attraverso design distintivi del campo di flusso della batteria. Lo faranno attraverso la modellazione computazionale utilizzando il software COMSOL Multiphysics.

    "La tecnologia su cui stiamo lavorando utilizza una composizione chimica specifica in cui è possibile ricaricare la reazione chimica utilizzando il calore di scarto invece dell'elettricità, " ha detto Rau.

    In una batteria tradizionale, una reazione chimica crea il potenziale di scarica, generazione di energia elettrica. Quando il processo viene invertito per ricaricare la batteria, un po' di elettricità deve essere usata per farlo. Per questa nuova tecnologia, i ricercatori ricaricheranno la batteria separando due sostanze chimiche utilizzando il calore di scarto. Quando queste sostanze chimiche vengono combinate di nuovo insieme, creeranno una reazione chimica che genera elettricità, eliminando quindi la necessità di utilizzare elettricità aggiuntiva per ricaricare la batteria.

    "Questa sarebbe una tecnologia in competizione con i tradizionali metodi di accumulo di energia, come le batterie agli ioni di litio, ma unico nel fatto che non necessita di elettricità, " Rau ha detto. "Ci vuole calore per caricare, quindi stiamo essenzialmente aprendo una nuova risorsa che potrebbe potenzialmente alimentare processi industriali o parte della rete elettrica".

    L'idea di base è stata di circa cinque anni, Rau ha detto, ma i ricercatori stanno cercando di migliorare le prestazioni del modello di base, in modo che possa diventare commercialmente redditizio.

    "Sviluppare questa tecnologia non sarà facile, " ha detto. "Queste batterie fluiscono elettroliti attraverso elettrodi porosi. Il flusso del fluido da solo è abbastanza complicato da modellare senza nemmeno considerare le reazioni chimiche che si verificano. Stiamo sviluppando le competenze per modellare con precisione come il flusso del fluido in queste batterie influenzi le diverse reazioni chimiche e, in definitiva, come questi parametri siano correlati alla potenza della batteria".

    I ricercatori sperano che gli esperimenti preliminari effettuati prima di iniziare questo studio abbiano fornito loro gli strumenti necessari per il successo.

    "Attualmente utilizziamo poco il calore di scarto nell'industria e nella produzione di energia, " Ha detto Rau. " Viene semplicemente scartato con l'acqua di raffreddamento o vomitato nell'atmosfera in un camino di scarico. Se possiamo effettivamente sfruttare questo calore disperso, aumenteremo l'efficienza energetica di molti settori diversi."

    Questi progetti illustrano la necessità di sviluppare su larga scala, tecnologie di stoccaggio dell'energia che si abbinano bene alle tecnologie delle energie rinnovabili, ha detto Sala.

    "Non ci sarà una soluzione che vincerà, " ha aggiunto. "Sarà probabilmente un mix. È una specie di situazione con tutte le mani sul ponte. Non sappiamo davvero quale funzionerà o quando sarà necessario, quindi penso che esplorare più opzioni sia il modo migliore per andare avanti".


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