Die neue Flow-Batterie hält das ganze Jahr über mit einfachem Zucker

Neue Flow-Batterie nutzt den Einfachzucker β-Cyclodextrin für eine reichhaltige, nachhaltige Energiespeicherformel mit langer Lebensdauer.

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Als Forscher am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums sich daran machten, Flow-Batterien zu verbessern, machten sie keine Täuschungen. Sie haben eine Lösung auf Zuckerbasis entwickelt, die das ganze Jahr über haltbar ist und noch länger. Die Entdeckung könnte zu neuen kostengünstigen, langlebigen Energiespeichersystemen führen, die fossile Energie aus dem Verkehr ziehen können, indem sie Wind- und Sonnenenergie über Wochen, Monate oder sogar ganze Jahreszeiten hinweg einfangen.

Flow-Batterien haben sich noch nicht durchgesetzt, drängen aber langsam auf den Markt.

Lithium-Ionen-Batterien sind nach wie vor der Goldstandard für Energiespeichersysteme, die sich immer wieder aufladen lassen. Die Lithium-Ionen-Technologie eignet sich für alle Arten von Geräten, vom Smartphone bis zum Elektrofahrzeug. Das Problem tritt auf Netzebene auf, wenn Energiespeicher benötigt werden, um Engpässe in der Verfügbarkeit von Wind- oder Solarenergie oder beidem auszugleichen.

In dieser Größenordnung können Lithium-Ionen-Batteriebänke nur wenige Stunden halten. Das Hinzufügen weiterer Bänke, um einen Kaskadeneffekt zu erzeugen, könnte dazu beitragen, den Zeitrahmen zu verlängern. Dies führt jedoch zu unerschwinglichen Kosten, einschließlich der Kosten für die Verwaltung eines derart komplexen Systems.

Um eine ganztägige Energiespeicherung im Versorgungsmaßstab bereitzustellen, wenn mehr Wind- und Solarstrom ins Netz gelangt, ist eine Durchflussbatterie genau das Richtige.

Flow-Batterien nutzen die Fähigkeit spezieller Flüssigkeiten, einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn sie nebeneinander fließen und durch eine dünne Membran getrennt sind. Die Flüssigkeiten werden bis zum Bedarf in Tanks gespeichert, sodass die Durchflussbatterie je nach Bedarf schnell ein- und ausgeschaltet werden kann. Eine Skalierung erhöht die Komplexität eines Flow-Batteriesystems nicht nennenswert, da die Skalierung in erster Linie von der Größe der Tanks abhängt.

Die heutigen Designs von Flow-Batterien stellen einen 50-jährigen Verbesserungsprozess dar, der in den 1970er Jahren Gestalt annahm. Damals gehörten Korrosion, Größe, Gewicht, Toxizität und niedrige Energiedichte zu den zu lösenden Problemen. Dennoch liebt die Wissenschaft Herausforderungen.

Die NASA stand an der Spitze der Bewegung. Letztes Jahr stellte die Agentur fest, dass ihre jahrzehntealte „Flüssigkeitsbatterie“, die nur aus Eisen, Salz und Wasser besteht, vom Startup ESS für Langzeitenergiespeicherung zu neuem Leben erweckt wurde. Auch etablierte Ingenieurbüros wie Cummins arbeiten an der Entwicklung einer neuen Generation von Durchflussbatterien (weitere Informationen zu CleanTechnica finden Sie hier).

Der Beitrag des Pacific Northwest National Laboratory ist die erste Verwendung von β-Cyclodextrin, einem aus Stärke gewonnenen Einfachzucker, in einer Flow-Batterie-Formel.

Im Gegensatz zu komplexen Kohlenhydraten wie Stärke bestehen einfache Zucker aus nur einem oder zwei Molekülen. Sie können im Labor synthetisiert werden und stellen eine nachhaltigere Alternative zu den Materialien dar, die für andere Batterieformeln abgebaut werden.

β-Cyclodextrin ist nicht irgendein einfacher Zucker. Es handelt sich um ein einzelnes, kegelförmiges Molekül, das in der Pharmaindustrie häufig zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet wird, da es andere Moleküle im Kegel aufnehmen kann, bis sich seine äußere Oberfläche auflöst. Dies bietet einen weiteren Vorteil, da eine Wissensdatenbank zur Lieferkette zur Verfügung steht.

Forscher haben auch weitere Verwendungsmöglichkeiten für den „Bindungshohlraum“ von β-Cyclodextrin entdeckt. Beispielsweise setzt ein Team der Northwestern University β-Cyclodextrin ein, um ein umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung von Gold aus Erzen zu entwickeln.

Das PNNL-Team konzentrierte sich auf β-Cyclodextrin, weil es nach einer einfachen Möglichkeit suchte, mehr Fluorenol in seine Durchflussbatterie einzuführen. Fluorenol ist ein Alkoholderivat von Fluoren, das zunehmend in der neuen Flow-Batterie-Technologie auftaucht, einschließlich der Forschung unter dem Dach von PNNL.

Offenbar bestand die Idee hinter der neuen Forschung darin, Fluorenol in β-Cyclodextrin-Moleküle einzukapseln, die sich auflösen würden, wenn sie in eine Flow-Batterie-Lösung eingeführt würden. Es stellte sich heraus, dass dies keine sehr effiziente Möglichkeit war, mehr Fluorenol zuzuführen, aber es führte dazu, dass eine beträchtliche Menge β-Cyclodextrin in die PNNL-Flow-Batterie gelangte.

Das β-Cyclodextrin machte einen unerwarteten Unterschied, da es als Wirkstoff fungierte, der die Aktivität anderer Chemikalien in der Lösung steigert.

Das Team veröffentlichte seine neuen Erkenntnisse letzte Woche in der Fachzeitschrift Joule unter dem Titel „Protonenregulierte Alkoholoxidation für Hochleistungs-Flowbatterie-Anolyten auf Ketonbasis“, in der es auf die Herausforderungen hinweist, die mit Flowbatterien auf Fluorenonbasis verbunden sind ( Fluorenon entsteht durch Oxidation von Fluoren).

Ketone sind die Moleküle, die der Körper produziert, um Fett abzubauen, wenn nicht genügend Zucker im Blut vorhanden ist. Ein Beispiel hierfür ist Fluorenon. Wie das PNNL-Team betont, wird das Aktivitätsniveau von Flussbatterien auf Fluorenonbasis durch die langsame Oxidationsrate von Alkohol beeinträchtigt. In ihrer Lösung fungiert β-Cyclodextrin als Protonenregulator, der die Oxidation auf Hochtouren bringt.

„Durchflussbatterien auf Fluorenonbasis mit dem organischen Zusatzstoff β-Cyclodextrin weisen eine verbesserte Geschwindigkeitsfähigkeit, hohe Kapazität und lange Zyklen auf“, schlussfolgerten sie.

„Diese Studie eröffnet einen neuen Weg zur Verbesserung der Kinetik wässriger organischer Durchflussbatterien durch Modulation des Reaktionswegs mit einem homogenen Katalysator“, fügten sie hinzu und bezogen sich dabei auf die Wirkung eines in einer Lösung gelösten Katalysators anstelle eines auf einen Feststoff aufgebrachten Katalysators Oberfläche.

In einer weiteren Pressemitteilung vom 10. Juli stellte PNNL fest, dass das Team seine neue Formel optimiert habe, bis die Flow-Batterie 60 % mehr Spitzenleistung als frühere Versionen erreicht habe. Sie führten mehr als ein Jahr lang kontinuierliche Lade-Entlade-Zyklen durch, wobei es nur zu einem minimalen Kapazitätsverlust kam.

„Dies ist das erste Flow-Batterie-Experiment im Labormaßstab, das über mehr als ein Jahr Dauerbetrieb mit minimalem Kapazitätsverlust berichtet“, bemerkte PNNL.

Der Hauptforscher der Studie, der langjährige PNNL-Forscher Wei Wang, betonte, dass β-Cyclodextrin ein völlig neuer Ansatz für die Formulierung von Durchflussbatterien sei.

„Wir haben gezeigt, dass man einen völlig anderen Katalysatortyp verwenden kann, um die Energieumwandlung zu beschleunigen. Und da es im flüssigen Elektrolyten gelöst ist, ist außerdem die Möglichkeit ausgeschlossen, dass sich ein Feststoff löst und das System verunreinigt“, erklärte er.

Das jahrelange Experiment endete erst, als der Kunststoffschlauch der Batterie versagte.

Der Erfolg im Labormaßstab ist ein weiterer Schritt hin zur Skalierung auf die Fußballfeldgröße, die für groß angelegte, langlebige Energiespeichersysteme vorgesehen ist. Die nächsten Schritte bestehen darin, besseren Kunststoff zu finden und die Formel zu optimieren, um die Leistung zu verbessern. Das Team sucht unter anderem nach einem Molekül, das dem β-Cyclodextrin ähnelt, aber kleiner ist.

PNNL plant bereits, die neue Flow-Batterie in seine bevorstehende Grid Storage Launchpad-Initiative einzubeziehen, die offiziell im Jahr 2024 starten wird. Bleiben Sie also auf dem Laufenden, um mehr darüber zu erfahren.

PNNL ist Teil des weitläufigen Netzwerks nationaler Laboratorien unter der Schirmherrschaft des US-Energieministeriums und stellt eine enorme Investition in die öffentliche Finanzierung wissenschaftlicher Forschung dar, die dem Gemeinwohl zugute kommt, also Gruppenumarmung für die Steuerzahler.

Neben Wang und Erstautor Ruozhu Feng arbeiten die PNNL-Wissenschaftler Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan und Qian Huang an der neuen Durchflussbatterie , Eric Walter und Yuyan Shao, zusammen mit Benjamin JG Rousseau und Hammes-Schiffer aus Yale.

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Bildnachweis: „Forscher am PNNL haben eine kostengünstige und effektive neue Durchflussbatterie entwickelt, die ein einfaches Zuckerderivat namens β-Cyclodextrin (rosa) verwendet, um die chemische Reaktion zu beschleunigen, die in chemischen Bindungen (lila in orange) gespeicherte Energie umwandelt und Energie freisetzt ( Elektronen), um einen externen Stromkreis mit Strom zu versorgen. Ein paralleler reversibler Prozess (rot-grün) in der positiven Katholytlösung gleicht die positiven und negativen Ladungen während des Ladens und Entladens aus“ (Animation von Sara Levine/PNNL).

Tina ist spezialisiert auf militärische und unternehmerische Nachhaltigkeit, fortschrittliche Technologie, neue Materialien, Biokraftstoffe sowie Wasser- und Abwasserfragen. Die geäußerten Ansichten sind ihre eigenen. Folgen Sie ihr auf Twitter @TinaMCasey und Spoutible.

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