تصميم بطارية التدفق من الجيل التالي يسجل أرقامًا قياسية

أفاد فريق بحث من المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة أن بطارية التدفق، وهي تصميم مُحسّن لتخزين طاقة الشبكة الكهربائية، حافظت على قدرتها على تخزين وإطلاق الطاقة لأكثر من عام من الشحن والتفريغ المستمر.

الدراسة نشرت للتو في المجلة جول, تفاصيل الاستخدام الأول للسكر البسيط المذاب المسمى β-cyclodextrin، وهو مشتق من النشا، لتعزيز عمر البطارية وسعتها. وفي سلسلة من التجارب، قام العلماء بتحسين نسبة المواد الكيميائية في النظام حتى وصل إلى طاقة ذروة أكبر بنسبة 60 بالمائة. ثم قاموا بتدوير البطارية مرارًا وتكرارًا لأكثر من عام، ولم يوقفوا التجربة إلا عندما تعطلت الأنابيب البلاستيكية. خلال كل هذا الوقت، بالكاد فقدت بطارية التدفق أيًا من نشاطها لإعادة الشحن. هذه هي أول تجربة لبطارية التدفق على مستوى المختبر للإبلاغ عن أكثر من عام من الاستخدام المستمر مع الحد الأدنى من فقدان السعة.

تعد مادة β-cyclodextrin المضافة أيضًا أول من قام بتسريع التفاعل الكهروكيميائي الذي يخزن ثم يطلق طاقة البطارية المتدفقة، في عملية تسمى الحفز المتجانس. وهذا يعني أن السكر يقوم بعمله أثناء إذابته في المحلول، وليس كمادة صلبة مطبقة على السطح.

وقال وي وانغ، الباحث في بطاريات PNNL منذ فترة طويلة والباحث الرئيسي في الدراسة: 'هذا نهج جديد تمامًا لتطوير إلكتروليت بطارية التدفق'. 'لقد أظهرنا أنه يمكنك استخدام نوع مختلف تمامًا من المحفز المصمم لتسريع عملية تحويل الطاقة. علاوة على ذلك، لأنه يذوب في المنحل بالكهرباء السائل فإنه يلغي إمكانية إزاحة المواد الصلبة وتلويث النظام.'

ما هي بطارية التدفق؟

كما يوحي اسمها، تتكون بطاريات التدفق من حجرتين، كل منهما مملوءة بسائل مختلف. يتم شحن البطاريات من خلال تفاعل كهروكيميائي وتخزن الطاقة في روابط كيميائية. عند توصيلها بدائرة خارجية، فإنها تطلق تلك الطاقة التي يمكنها تشغيل الأجهزة الكهربائية. تختلف بطاريات التدفق عن بطاريات الحالة الصلبة من حيث أنها تحتوي على خزانين خارجيين للإمداد بالسائل يتم تداولهما باستمرار لتزويد المنحل بالكهرباء، وهو ما يشبه 'إمدادات الدم' للنظام. كلما كان خزان إمداد الإلكتروليت أكبر، زادت الطاقة التي يمكن لبطارية التدفق تخزينها.

إذا تم توسيع نطاقها إلى حجم ملعب كرة قدم أو أكثر، فيمكن أن تكون بطاريات التدفق بمثابة مولدات احتياطية للشبكة الكهربائية. تعد بطاريات التدفق إحدى الركائز الأساسية لاستراتيجية إزالة الكربون لتخزين الطاقة من موارد الطاقة المتجددة. وميزتها هي أنه يمكن بناؤها على أي نطاق، بدءًا من مقياس المختبر، كما هو الحال في دراسة PNNL، إلى حجم مبنى سكني في المدينة.

لماذا نحتاج إلى أنواع جديدة من بطاريات التدفق؟

يوفر تخزين الطاقة على نطاق واسع نوعًا من بوليصة التأمين ضد انقطاع شبكتنا الكهربائية. عندما يعيق الطقس القاسي أو ارتفاع الطلب القدرة على توفير الكهرباء للمنازل والشركات، يمكن أن تساعد الطاقة المخزنة في مرافق بطاريات التدفق واسعة النطاق في تقليل انقطاع الخدمة أو استعادتها. ومن المتوقع أن تتزايد الحاجة إلى مرافق بطاريات التدفق هذه، حيث يأتي توليد الكهرباء بشكل متزايد من مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية. تتطلب مصادر الطاقة المتقطعة مثل هذه مكانًا لتخزين الطاقة حتى تكون هناك حاجة إليها لتلبية طلب المستهلك.

في حين أن هناك العديد من تصميمات بطاريات التدفق وبعض التركيبات التجارية، فإن المرافق التجارية الحالية تعتمد على المعادن المستخرجة مثل الفاناديوم والتي تعتبر مكلفة ويصعب الحصول عليها. ولهذا السبب تبحث فرق البحث عن تقنيات بديلة فعالة تستخدم مواد أكثر شيوعًا يسهل تصنيعها ومستقرة وغير سامة.

وقال إيمري جيوك، مدير أبحاث تخزين الطاقة في مكتب الكهرباء التابع لوزارة الطاقة: «لا يمكننا دائمًا حفر الأرض بحثًا عن مواد جديدة. 'نحن بحاجة إلى تطوير نهج مستدام فيما يتعلق بالمواد الكيميائية التي يمكننا تصنيعها بكميات كبيرة -- تماما مثل الصناعات الدوائية والغذائية'.

يعد العمل على بطاريات التدفق جزءًا من برنامج كبير في PNNL لتطوير واختبار تقنيات جديدة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة والتي سيتم تسريعها مع افتتاح Grid Storage Launchpad في PNNL في عام 2024.

يعمل 'ماء السكر' الحميد على تحلية الوعاء للحصول على بطارية تدفق فعالة

يضم فريق البحث PNNL الذي طور التصميم الجديد للبطارية باحثين ذوي خلفيات في التركيب العضوي والكيميائي. أصبحت هذه المهارات مفيدة عندما اختار الفريق العمل بمواد لم يتم استخدامها في أبحاث البطاريات، ولكن تم إنتاجها بالفعل لاستخدامات صناعية أخرى.

وقال روزهو فنغ، المؤلف الأول للدراسة الجديدة: 'كنا نبحث عن طريقة بسيطة لإذابة المزيد من الفلورينول في المنحل بالكهرباء المائي الخاص بنا'. 'لقد ساعد β-cyclodextrin في تحقيق ذلك، بشكل متواضع، لكن فائدته الحقيقية كانت هذه القدرة التحفيزية المدهشة'.

ثم عمل الباحثون مع المؤلف المشارك شارون هامس شيفر من جامعة ييل، وهو خبير بارز في التفاعل الكيميائي الكامن وراء التعزيز التحفيزي، لشرح كيفية عمله.

كما هو موضح في الدراسة البحثية، تقبل المادة المضافة للسكر البروتونات الموجبة الشحنة، مما يساعد على موازنة حركة الإلكترونات السالبة أثناء تفريغ البطارية. التفاصيل أكثر تعقيدًا بعض الشيء، ولكن يبدو الأمر كما لو أن السكر يحلي الوعاء للسماح للمواد الكيميائية الأخرى بإكمال رقصتها الكيميائية.

هذه الدراسة هي الجيل التالي من تصميم بطارية التدفق الحاصل على براءة اختراع PNNL والذي تم وصفه لأول مرة في مجلة Science في عام 2021. هناك، أظهر الباحثون أن مادة كيميائية شائعة أخرى، تسمى الفلورينون، هي مكون فعال لبطارية التدفق. لكن هذا الإنجاز الأولي كان يحتاج إلى تحسين لأن العملية كانت بطيئة مقارنة بتكنولوجيا بطاريات التدفق التجارية. ويقول الباحثون إن هذا التقدم الجديد يجعل تصميم البطارية مرشحًا للتوسع.

وفي الوقت نفسه، يعمل فريق البحث على تحسين النظام بشكل أكبر من خلال تجربة مركبات أخرى تشبه β-cyclodextrin ولكنها أصغر حجمًا. كما هو الحال مع العسل، فإن إضافة β-cyclodextrin تجعل السائل أكثر سمكًا، وهو أقل من المثالي لنظام التدفق. ومع ذلك، وجد الباحثون أن فوائده تفوق عيوبه.

يتطلب فهم الكيمياء المعقدة التي تحدث داخل تصميم بطارية التدفق الجديد خبرة العديد من العلماء، بما في ذلك Ying Chen، وXin Zhang، وPeiyuan Gao، وPing Chen، وSebastian Mergelsberg، وLirong Zhong، وAaron Hollas، وYangang Lian، وVijayakumar Murugesan، وQian Huang، وEric. والتر ويويان شاو من PNNL، وبنجامين جي جي روسو وهاميس شيفر من جامعة ييل، بالإضافة إلى فنغ ووانغ.