新型鈉鋁電池旨在整合可再生能源以提高電網(wǎng)彈性
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-02-08 16:01:37
根據(jù)剛剛發(fā)表在Energy Storage Materials上的一項研究，一種新的電池設(shè)計可以幫助以較低的成本將可再生能源輕松整合到國家電網(wǎng)中，使用地球上豐富的金屬。由能源部太平洋西北國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組證明，用低成本金屬鈉和鋁構(gòu)建的電網(wǎng)儲能電池的新設(shè)計提供了通往更安全、更具可擴展性的固定儲能系統(tǒng)的途徑。
“我們證明，這種新型熔鹽電池設(shè)計具有比其他傳統(tǒng)高溫鈉電池快得多的充電和放電速度、在較低溫度下運行并保持出色的儲能能力的潛力，”材料科學(xué)家李國盛說。在 PNNL 和該研究的研究員?！芭c市售的高溫鈉電池技術(shù)相比，我們使用這種新的鈉基化學(xué)物質(zhì)在 100 °C [212 °F] 的溫度下獲得了類似的性能，同時使用了地球上儲量更豐富的材料?！?/span>
提供更多儲能
支持這項研究的美國能源部電力儲能計劃辦公室主任 Imre Gyuk 指出，“這種電池技術(shù)采用低成本的國內(nèi)可用材料制造，使我們離實現(xiàn)國家清潔能源目標又近了一步。”
此處顯示的并網(wǎng)電池從可再生能源中收集能量，可以通過智能電網(wǎng)技術(shù)按需將其能量輸送到電網(wǎng)。圖片 Levine，太平洋西北國家實驗室
新型鈉基熔鹽電池使用兩種不同的反應(yīng)。該團隊此前報道了一種中性熔鹽反應(yīng)。新發(fā)現(xiàn)表明，這種中性熔鹽可以進一步反應(yīng)變成酸性熔鹽。至關(guān)重要的是，這第二種酸性反應(yīng)機制增加了電池的容量。具體來說，在高電流下進行 345 次充電/放電循環(huán)后，這種酸性反應(yīng)機制保留了 82.8% 的峰值充電容量。
電池在放電過程中所能傳遞的能量稱為比能量密度，用“瓦時每千克”（Wh/kg）表示。盡管該電池處于早期或“紐扣電池”測試階段，但研究人員推測它可能會產(chǎn)生高達 100 Wh/kg 的實用能量密度。相比之下，商用電子產(chǎn)品和電動汽車中使用的鋰離子電池的能量密度約為 170–250 Wh/kg。然而，新的鈉鋁電池設(shè)計具有價格低廉且易于在美國使用更豐富的材料生產(chǎn)的優(yōu)勢。
PNNL 電池技術(shù) Vince Sprenkle 說：“我們這項技術(shù)的主要目標是在 10 到 24 小時內(nèi)以低成本每天將太陽能轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中，”他擁有 30 多項設(shè)計儲能系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)?！斑@是一個點，我們可以開始考慮將更高水平的可再生能源整合到電網(wǎng)中，以利用風(fēng)能和太陽能等可再生資源提供真正的電網(wǎng)彈性?！?/span>
Sprenkle 是開發(fā)這種電池的新型柔性設(shè)計團隊的一員，該設(shè)計還將電池從傳統(tǒng)的管狀形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄降?、可擴展的形狀，隨著技術(shù)從硬幣大小的電池發(fā)展到更大的電池，這種電池更容易堆疊和擴展網(wǎng)格規(guī)模的示范規(guī)模。
更重要的是，這種扁平電池設(shè)計允許通過簡單地使用更厚的陰極來增加電池容量，研究人員在這項工作中利用它來展示在實驗室條件下持續(xù)放電 28.2 小時的三倍容量電池。
大多數(shù)當前的電池技術(shù)，包括鋰離子電池，都非常適合短期儲能。為了滿足 10 小時以上的儲能需求，需要開發(fā)新型、低成本、安全且持續(xù)時間長的電池概念，超越當前的電池技術(shù)。這項研究為實現(xiàn)該目標提供了有希望的實驗室規(guī)模示范。
太平洋西北國家實驗室的研究團隊研究如何將公用事業(yè)規(guī)模的太陽能和電池存儲設(shè)施整合到其華盛頓州里奇蘭總部附近設(shè)施的電網(wǎng)中。他們在這里監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，以評估儲存可再生能源和將間歇性可再生能源并入電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。圖片 Starr | 太平洋西北國家實驗室
網(wǎng)格彈性主題的變體
存儲可再生能源產(chǎn)生的能量并按需將其釋放到電網(wǎng)的能力推動了電池技術(shù)的快速發(fā)展，許多新設(shè)計都在爭奪注意力和客戶。每個新變體都必須滿足其自身利基用途的需求。一些電池，例如那些采用 PNNL 的凍融電池設(shè)計的電池，能夠儲存季節(jié)性產(chǎn)生的能量數(shù)月之久。
與季節(jié)性電池相比，這種新設(shè)計特別擅長 12 至 24 小時的中短期電網(wǎng)儲能。它是所謂的鈉金屬鹵化物電池的變體。采用鎳陰極作為系統(tǒng)一部分的類似設(shè)計已被證明在商業(yè)規(guī)模上是有效的，并且已經(jīng)可以在市場上買到。
“我們已經(jīng)消除了對鎳的需求，鎳是一種相對稀缺且昂貴的元素，而不會犧牲電池性能，”李說。“與鎳相比，使用鋁的另一個優(yōu)勢是鋁陰極充電速度更快，這對于實現(xiàn)這項工作中展示的更長放電時間至關(guān)重要?！?/span>
隨著這一里程碑的實現(xiàn)，該團隊正專注于進一步改進以增加放電持續(xù)時間，這可以大大提高電網(wǎng)靈活性，以更好地整合可再生能源。
PNNL 電池兼研究合著者大衛(wèi)·里德 (David Reed) 說，由于它在較低溫度下運行，因此可以使用廉價的電池材料制造，而不是像傳統(tǒng)的高溫鈉電池那樣需要更復(fù)雜、更昂貴的組件和工藝.
以更低的成本存儲更多的電網(wǎng)儲能
Sprenkle 說，到 2023 年，使用鋰離子電池進行電網(wǎng)儲能的儲能能力約為 4 小時?！叭绻覀兡軌蜻_到材料和制造的預(yù)期成本目標，這個新系統(tǒng)可以顯著增加儲存的能量容量，”他補充說。
作為研究的一部分，研究人員估計，基于廉價原材料的鈉鋁電池設(shè)計的活性材料成本僅為每千瓦時 7.02 美元。通過優(yōu)化和提高實際能量密度，他們預(yù)計可以進一步降低成本。這種有前途的低成本、電網(wǎng)規(guī)模的存儲技術(shù)可以使風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源為國家電網(wǎng)做出更大的貢獻。
研究合著者、鈉固態(tài)電池制造商 Adena Power 總裁 Neil Kidner 正在與 PNNL 合作推進鈉基電池技術(shù)?！斑@項研究表明，我們的鈉電解質(zhì)不僅適用于我們的技術(shù)，而且適用于鈉鋁電池設(shè)計，”他說?！拔覀兤诖^續(xù)與 PNNL 研究團隊合作，共同推進鈉電池技術(shù)的發(fā)展?！?/span>
“我們證明，這種新型熔鹽電池設(shè)計具有比其他傳統(tǒng)高溫鈉電池快得多的充電和放電速度、在較低溫度下運行并保持出色的儲能能力的潛力，”材料科學(xué)家李國盛說。在 PNNL 和該研究的研究員?！芭c市售的高溫鈉電池技術(shù)相比，我們使用這種新的鈉基化學(xué)物質(zhì)在 100 °C [212 °F] 的溫度下獲得了類似的性能，同時使用了地球上儲量更豐富的材料?！?/span>
提供更多儲能
支持這項研究的美國能源部電力儲能計劃辦公室主任 Imre Gyuk 指出，“這種電池技術(shù)采用低成本的國內(nèi)可用材料制造，使我們離實現(xiàn)國家清潔能源目標又近了一步。”
此處顯示的并網(wǎng)電池從可再生能源中收集能量，可以通過智能電網(wǎng)技術(shù)按需將其能量輸送到電網(wǎng)。圖片 Levine，太平洋西北國家實驗室
新型鈉基熔鹽電池使用兩種不同的反應(yīng)。該團隊此前報道了一種中性熔鹽反應(yīng)。新發(fā)現(xiàn)表明，這種中性熔鹽可以進一步反應(yīng)變成酸性熔鹽。至關(guān)重要的是，這第二種酸性反應(yīng)機制增加了電池的容量。具體來說，在高電流下進行 345 次充電/放電循環(huán)后，這種酸性反應(yīng)機制保留了 82.8% 的峰值充電容量。
電池在放電過程中所能傳遞的能量稱為比能量密度，用“瓦時每千克”（Wh/kg）表示。盡管該電池處于早期或“紐扣電池”測試階段，但研究人員推測它可能會產(chǎn)生高達 100 Wh/kg 的實用能量密度。相比之下，商用電子產(chǎn)品和電動汽車中使用的鋰離子電池的能量密度約為 170–250 Wh/kg。然而，新的鈉鋁電池設(shè)計具有價格低廉且易于在美國使用更豐富的材料生產(chǎn)的優(yōu)勢。
“通過優(yōu)化，我們預(yù)計比能量密度和生命周期可以達到更高和更長，”李補充道。
新的鈉鋁電池設(shè)計只允許鈉（描繪為黃色球）穿過固態(tài)電解質(zhì)為電池充電。由廉價的地球資源豐富的材料建造，如鈉鹽和鋁棉，鋁制造的廢料，是一個優(yōu)勢。
鈉電池大顯身手
事實上，PNNL 的科學(xué)家與美國可再生能源先驅(qū) Nexceris 的同事合作組裝和測試電池。Nexceris 通過他們的新業(yè)務(wù) Adena Power，向 PNNL 提供了他們獲得的固態(tài)鈉基電解質(zhì)，以測試電池的性能。這個關(guān)鍵的電池組件允許鈉離子在充電時從電池的負（陽極）側(cè)移動到正（陰極）側(cè)。PNNL 電池技術(shù) Vince Sprenkle 說：“我們這項技術(shù)的主要目標是在 10 到 24 小時內(nèi)以低成本每天將太陽能轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中，”他擁有 30 多項設(shè)計儲能系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)?！斑@是一個點，我們可以開始考慮將更高水平的可再生能源整合到電網(wǎng)中，以利用風(fēng)能和太陽能等可再生資源提供真正的電網(wǎng)彈性?！?/span>
Sprenkle 是開發(fā)這種電池的新型柔性設(shè)計團隊的一員，該設(shè)計還將電池從傳統(tǒng)的管狀形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄降?、可擴展的形狀，隨著技術(shù)從硬幣大小的電池發(fā)展到更大的電池，這種電池更容易堆疊和擴展網(wǎng)格規(guī)模的示范規(guī)模。
更重要的是，這種扁平電池設(shè)計允許通過簡單地使用更厚的陰極來增加電池容量，研究人員在這項工作中利用它來展示在實驗室條件下持續(xù)放電 28.2 小時的三倍容量電池。
大多數(shù)當前的電池技術(shù)，包括鋰離子電池，都非常適合短期儲能。為了滿足 10 小時以上的儲能需求，需要開發(fā)新型、低成本、安全且持續(xù)時間長的電池概念，超越當前的電池技術(shù)。這項研究為實現(xiàn)該目標提供了有希望的實驗室規(guī)模示范。
太平洋西北國家實驗室的研究團隊研究如何將公用事業(yè)規(guī)模的太陽能和電池存儲設(shè)施整合到其華盛頓州里奇蘭總部附近設(shè)施的電網(wǎng)中。他們在這里監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，以評估儲存可再生能源和將間歇性可再生能源并入電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。圖片 Starr | 太平洋西北國家實驗室
網(wǎng)格彈性主題的變體
存儲可再生能源產(chǎn)生的能量并按需將其釋放到電網(wǎng)的能力推動了電池技術(shù)的快速發(fā)展，許多新設(shè)計都在爭奪注意力和客戶。每個新變體都必須滿足其自身利基用途的需求。一些電池，例如那些采用 PNNL 的凍融電池設(shè)計的電池，能夠儲存季節(jié)性產(chǎn)生的能量數(shù)月之久。
與季節(jié)性電池相比，這種新設(shè)計特別擅長 12 至 24 小時的中短期電網(wǎng)儲能。它是所謂的鈉金屬鹵化物電池的變體。采用鎳陰極作為系統(tǒng)一部分的類似設(shè)計已被證明在商業(yè)規(guī)模上是有效的，并且已經(jīng)可以在市場上買到。
“我們已經(jīng)消除了對鎳的需求，鎳是一種相對稀缺且昂貴的元素，而不會犧牲電池性能，”李說。“與鎳相比，使用鋁的另一個優(yōu)勢是鋁陰極充電速度更快，這對于實現(xiàn)這項工作中展示的更長放電時間至關(guān)重要?！?/span>
隨著這一里程碑的實現(xiàn)，該團隊正專注于進一步改進以增加放電持續(xù)時間，這可以大大提高電網(wǎng)靈活性，以更好地整合可再生能源。
PNNL 電池兼研究合著者大衛(wèi)·里德 (David Reed) 說，由于它在較低溫度下運行，因此可以使用廉價的電池材料制造，而不是像傳統(tǒng)的高溫鈉電池那樣需要更復(fù)雜、更昂貴的組件和工藝.
以更低的成本存儲更多的電網(wǎng)儲能
Sprenkle 說，到 2023 年，使用鋰離子電池進行電網(wǎng)儲能的儲能能力約為 4 小時?！叭绻覀兡軌蜻_到材料和制造的預(yù)期成本目標，這個新系統(tǒng)可以顯著增加儲存的能量容量，”他補充說。
作為研究的一部分，研究人員估計，基于廉價原材料的鈉鋁電池設(shè)計的活性材料成本僅為每千瓦時 7.02 美元。通過優(yōu)化和提高實際能量密度，他們預(yù)計可以進一步降低成本。這種有前途的低成本、電網(wǎng)規(guī)模的存儲技術(shù)可以使風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源為國家電網(wǎng)做出更大的貢獻。
研究合著者、鈉固態(tài)電池制造商 Adena Power 總裁 Neil Kidner 正在與 PNNL 合作推進鈉基電池技術(shù)?！斑@項研究表明，我們的鈉電解質(zhì)不僅適用于我們的技術(shù)，而且適用于鈉鋁電池設(shè)計，”他說?！拔覀兤诖^續(xù)與 PNNL 研究團隊合作，共同推進鈉電池技術(shù)的發(fā)展?！?/span>
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