Pin natri, nhôm mới nhằm mục đích tích hợp năng lượng tái tạo để tăng khả năng phục hồi lưới điện

Pin natri, nhôm mới nhằm mục đích tích hợp năng lượng tái tạo để tăng khả năng phục hồi lưới điện

    Pin natri, nhôm mới nhằm mục đích tích hợp năng lượng tái tạo để tăng khả năng phục hồi lưới điện


    bởi Karyn Hede, Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

    New sodium, aluminum battery aims to integrate renewables for grid resiliency
    Thu năng lượng tái tạo không liên tục từ các mảng năng lượng mặt trời và tua-bin gió là mục tiêu của công nghệ lưu trữ năng lượng mới sử dụng các vật liệu natri và nhôm dồi dào trên Trái đất. Ảnh: Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương


    Theo một nghiên cứu vừa được công bố trên Tài liệu lưu trữ năng lượng, một thiết kế pin mới có thể giúp dễ dàng tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện quốc gia với chi phí thấp hơn, sử dụng các kim loại dồi dào trên Trái đất. Một nhóm nghiên cứu do Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng dẫn đầu đã chứng minh rằng thiết kế mới cho pin lưu trữ năng lượng dạng lưới được chế tạo bằng kim loại natri và nhôm giá rẻ cung cấp một lộ trình hướng tới một hệ thống lưu trữ năng lượng cố định an toàn hơn và có khả năng mở rộng hơn.

    "Chúng tôi đã chứng minh rằng thiết kế pin muối nóng chảy mới này có khả năng sạc và xả nhanh hơn nhiều so với các loại pin natri nhiệt độ cao thông thường khác, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và duy trì khả năng lưu trữ năng lượng tuyệt vời", Guosheng Li, một nhà khoa học vật liệu cho biết tại PNNL và điều tra viên chính của nghiên cứu. "Chúng tôi đang đạt được hiệu suất tương tự với hóa chất dựa trên natri mới này ở nhiệt độ thấp hơn 100 °C [212 °F] so với các công nghệ pin natri nhiệt độ cao hiện có trên thị trường, trong khi sử dụng vật liệu phong phú hơn trên Trái đất."

    Cung cấp nhiều lưu trữ năng lượng hơn
    Imre Gyuk, giám đốc Văn phòng Điện, Chương trình Lưu trữ Năng lượng của DOE, đơn vị hỗ trợ nghiên cứu này, lưu ý: "Công nghệ pin này, được chế tạo bằng các vật liệu sẵn có trong nước với chi phí thấp, giúp chúng tôi tiến một bước gần hơn tới việc đạt được các mục tiêu năng lượng sạch của quốc gia."

    Pin nối lưới, được hiển thị ở đây, thu năng lượng từ các nguồn tái tạo, có thể cung cấp năng lượng của nó cho lưới điện theo yêu cầu thông qua công nghệ lưới điện thông minh. Tín dụng: Sara Levine, Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
    Pin muối nóng chảy dựa trên natri mới sử dụng hai phản ứng riêng biệt. Nhóm nghiên cứu trước đây đã báo cáo về phản ứng muối nóng chảy trung tính. Phát hiện mới cho thấy muối nóng chảy trung tính này có thể trải qua phản ứng tiếp theo thành muối nóng chảy có tính axit. Điều quan trọng là cơ chế phản ứng axit thứ hai này làm tăng dung lượng của pin. Cụ thể, sau 345 chu kỳ sạc/xả ở dòng điện cao, cơ chế phản ứng axit này đã giữ lại 82,8% công suất sạc cực đại.

    Năng lượng mà pin có thể cung cấp trong quá trình phóng điện được gọi là mật độ năng lượng cụ thể của nó, được biểu thị bằng "oát giờ trên kilôgam" (Wh/kg). Mặc dù pin đang trong giai đoạn thử nghiệm hoặc "pin đồng xu", nhưng các nhà nghiên cứu suy đoán rằng nó có thể tạo ra mật độ năng lượng thực tế lên tới 100 Wh/kg. Để so sánh, mật độ năng lượng của pin lithium-ion được sử dụng trong thiết bị điện tử thương mại và xe điện là khoảng 170–250 Wh/kg. Tuy nhiên, thiết kế pin natri-nhôm mới có ưu điểm là rẻ và dễ sản xuất tại Hoa Kỳ từ các vật liệu phong phú hơn nhiều.

    "Với sự tối ưu hóa, chúng tôi hy vọng mật độ năng lượng cụ thể và vòng đời có thể đạt cao hơn và lâu hơn nữa", Li nói thêm.


    Thiết kế pin natri-nhôm mới chỉ cho phép natri (được mô tả là các quả bóng màu vàng) di chuyển qua chất điện phân ở trạng thái rắn để sạc pin. Được xây dựng bằng các vật liệu dồi dào rẻ tiền trên Trái đất như muối natri và len nhôm, một sản phẩm phế liệu của quá trình sản xuất nhôm, là một lợi thế. Ảnh: Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

    New sodium, aluminum battery aims to integrate renewables for grid resiliency
    Pin natri cho thấy dũng khí của nó


    Thật vậy, các nhà khoa học PNNL đã hợp tác với các đồng nghiệp tại công ty tiên phong về năng lượng tái tạo Nexceris có trụ sở tại Hoa Kỳ để lắp ráp và thử nghiệm pin. Nexceris, thông qua doanh nghiệp mới Adena Power, đã cung cấp chất điện phân dựa trên natri, trạng thái rắn đã được cấp bằng sáng chế của họ cho PNNL để kiểm tra hiệu suất của pin. Thành phần pin quan trọng này cho phép các ion natri di chuyển từ cực âm (cực dương) sang cực dương (cực âm) của pin khi sạc.

    Vince Sprenkle, chuyên gia công nghệ pin PNNL với hơn 30 thiết kế được cấp bằng sáng chế cho biết: "Mục tiêu chính của chúng tôi đối với công nghệ này là cho phép chuyển năng lượng mặt trời hàng ngày, chi phí thấp vào lưới điện trong khoảng thời gian từ 10 đến 24 giờ". hệ thống lưu trữ năng lượng và công nghệ liên quan. "Đây là một điểm tuyệt vời mà chúng ta có thể bắt đầu nghĩ đến việc tích hợp các mức năng lượng tái tạo cao hơn vào lưới điện để cung cấp khả năng phục hồi lưới điện thực sự từ các nguồn tái tạo như năng lượng gió và mặt trời."

    Sprenkle là thành viên của nhóm đã phát triển thiết kế linh hoạt mới của loại pin này, thiết kế này cũng chuyển pin từ dạng ống truyền thống sang dạng phẳng, có thể mở rộng để có thể dễ dàng xếp chồng lên nhau và mở rộng hơn khi công nghệ phát triển từ pin cỡ đồng xu sang lớn hơn. kích thước trình diễn grid-scale.

    Quan trọng hơn, thiết kế tế bào phẳng này cho phép tăng dung lượng tế bào bằng cách sử dụng cực âm dày hơn, những người tìm kiếm đã tận dụng công việc này để chứng minh một tế bào có dung lượng gấp ba lần với khả năng xả liên tục trong 28,2 giờ trong điều kiện phòng thí nghiệm.

    Hầu hết các công nghệ pin hiện tại, bao gồm cả pin lithium-ion, đều rất phù hợp để lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn. Để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng hơn 10 giờ sẽ cần phải phát triển các khái niệm pin mới, chi phí thấp, an toàn và thời lượng dài vượt xa các công nghệ pin hiện đại. Nghiên cứu này cung cấp một minh chứng đầy hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm hướng tới mục tiêu đó.

    New sodium, aluminum battery aims to integrate renewables for grid resiliency


    Các nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương nghiên cứu cách tích hợp một cơ sở lưu trữ pin và năng lượng mặt trời ở quy mô tiện ích vào lưới điện tại một cơ sở gần trụ sở chính của Richland, Washington. Tại đây, họ theo dõi và phân tích dữ liệu để đánh giá lợi ích tài chính của việc lưu trữ năng lượng tái tạo và kết hợp năng lượng tái tạo không liên tục vào lưới điện. Ảnh: Andrea Starr | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương


    Biến thể về chủ đề khả năng phục hồi lưới
    Khả năng lưu trữ năng lượng do năng lượng tái tạo tạo ra và giải phóng năng lượng đó theo yêu cầu vào lưới điện đã thúc đẩy những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ pin, với nhiều thiết kế mới cạnh tranh để thu hút sự chú ý và khách hàng. Mỗi biến thể mới phải đáp ứng nhu cầu sử dụng thích hợp của riêng mình. Một số pin, chẳng hạn như pin có thiết kế pin đóng băng-tan băng của PNNL, có khả năng lưu trữ năng lượng được tạo ra theo mùa trong nhiều tháng.

    So với pin theo mùa, thiết kế mới này đặc biệt hiệu quả trong việc lưu trữ năng lượng lưới điện ngắn hạn và trung hạn trong vòng 12 đến 24 giờ. Nó là một biến thể của cái được gọi là pin natri-metal halide. Một thiết kế tương tự sử dụng cực âm niken như một phần của hệ thống đã được chứng minh là có hiệu quả ở quy mô thương mại và đã có sẵn trên thị trường.

    Li cho biết: “Chúng tôi đã loại bỏ nhu cầu về niken, một nguyên tố tương đối khan hiếm và đắt tiền mà không làm giảm hiệu suất của pin. "Một ưu điểm khác của việc sử dụng nhôm so với niken là cực âm nhôm sạc nhanh hơn, điều này rất quan trọng để cho phép thời gian phóng điện lâu hơn được thể hiện trong nghiên cứu này."

    Sau khi đạt được cột mốc quan trọng này, nhóm đang tập trung vào các cải tiến hơn nữa để tăng thời lượng phóng điện, điều này có thể cải thiện đáng kể tính linh hoạt của lưới điện để kết hợp nhiều hơn các nguồn điện tái tạo.

    Và bởi vì nó hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nên nó có thể được sản xuất bằng vật liệu pin rẻ tiền, thay vì yêu cầu các thành phần và quy trình phức tạp và đắt tiền hơn như trong pin natri nhiệt độ cao thông thường, David Reed, chuyên gia về pin PNNL và đồng tác giả nghiên cứu cho biết. .

    Lưu trữ năng lượng lưới nhiều hơn với chi phí thấp hơn
    Sprenkle cho biết vào năm 2023, công nghệ lưu trữ năng lượng lưới điện tiên tiến nhất sử dụng pin lithium-ion có khả năng lưu trữ năng lượng khoảng bốn giờ. Ông nói thêm: “Hệ thống mới này có thể tăng đáng kể dung lượng năng lượng được lưu trữ nếu chúng ta có thể đạt được các mục tiêu chi phí dự kiến cho vật liệu và sản xuất”.

    Là một phần của nghiên cứu, các nhà nghiên cứu ước tính rằng thiết kế pin natri-nhôm dựa trên nguyên liệu thô rẻ tiền có thể chỉ tốn 7,02 đô la cho mỗi kWh cho các vật liệu hoạt động. Thông qua việc tối ưu hóa và tăng mật độ năng lượng thực tế, họ dự đoán rằng chi phí này có thể còn giảm hơn nữa. Công nghệ lưu trữ quy mô lưới, chi phí thấp đầy hứa hẹn này có thể cho phép các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như năng lượng gió và mặt trời đóng góp năng động hơn cho lưới điện quốc gia.

    Neil Kidner, đồng tác giả nghiên cứu và là chủ tịch của Adena Power, nhà sản xuất pin thể rắn natri, đang hợp tác với PNNL để phát triển công nghệ pin dựa trên natri. Ông nói: “Nghiên cứu này chứng minh rằng chất điện phân natri của chúng tôi hoạt động không chỉ với công nghệ đã được cấp bằng sáng chế của chúng tôi mà còn với thiết kế pin nhôm-natri”. "Chúng tôi mong muốn tiếp tục hợp tác với nhóm nghiên cứu PNNL để thúc đẩy công nghệ pin natri."

    Zalo
    Hotline