この水ベースのバッテリーは、後でグリーンエネルギーを蓄える
写真クレジット: GabrielleMerk。 Wikimedia.org(写真#46)

新しい水ベースのバッテリーは、後で風や太陽エネルギーを蓄える安価な方法を提供する可能性がある、と研究者たちは言う。

バッテリーは、太陽が輝いているときに生成されたエネルギーを蓄積し、風が吹いているので、需要が高いときに電力を送電網にフィードバックして再分配することができます。

プロトタイプのマンガン - 水素電池は、 自然エネルギーちょうど3インチの高さで、キーリングに掛かるLED懐中電灯のエネルギーレベルと同程度の電力で、20ミリワットの時間を生成します。

試作品の小型化にもかかわらず、研究者はこのテーブルトップ技術を10,000回の充電と再充電が可能な産業グレードのシステムに拡張できると確信しており、グリッドスケールのバッテリを作成します。 10年。

スタンフォード大学の材料科学教授で論文の上級執筆者であるYi Cui教授は、マンガン水素電池技術は、エネルギーのパズルに欠けているものの1つであり、予測できない風や太陽エネルギーを蓄えて、再生可能な資源が利用できない場合には、信頼できるが炭素を放出する化石燃料を燃やす必要がある。

「私たちがやったことは、特殊な塩を水に投げ込んで電極に落とし、水素ガスの形で電子を蓄える可逆的な化学反応を作り出したことです」とCui氏は言います。


インナーセルフ購読グラフィック


賢い化学

Cuiの研究室のポスドクの学者、Wei Chenは、このコンセプトを夢見てプロトタイプを構築したチームを率いた。 本質的に、研究者たちは、乾電池、肥料、紙、およびその他の製品を製造するために使用される、安価で豊富な工業用塩である水と硫酸マンガンとの間の可逆的な電子交換を酷使した。

風や太陽光源がどのように電池に電力を供給するかを模倣するために、研究者はプロトタイプに電源を取り付けました。 流入した電子は硫酸マンガンと反応して水に溶解し、二酸化マンガンの粒子が電極に付着する。 過剰な電子は水素ガスとして泡立ち、将来の使用のためにそのエネルギーを貯蔵する。

エンジニアは、水素ガスに蓄えられたエネルギーから電気を作り直す方法を知っています。重要な次のステップは、水ベースのバッテリーを充電できることを証明することでした。

研究者は、硫酸マンガン塩を補充するために、水と結合する電極に付着している二酸化マンガン粒子を誘導する目的で、今回は消耗したプロトタイプに電源を再接続することによってこれを行った。 このプロセスが塩を回復すると、入ってくる電子は余剰になり、余分な電力は何度も何度も繰り返すことができる方法で水素ガスとして泡立ちます。

Cui氏は、水ベースのバッテリの寿命を考えれば、100ワット電球に12時間電力を供給するのに十分な電力を蓄えるのに一握りの費用がかかると見積もっています。

「このプロトタイプ技術は、ユーティリティ規模の電気ストレージの実用性に関する省エネルギー目標を達成することができると我々は考えている」とCui氏は語る。

省庁(DOE)は、グリッドスケールの蓄電池を1時間に少なくとも20キロワットの電力を貯蔵し、放電し、5,000の再充電が可能であり、10年の有効寿命を有するか、またはもっと。 実用的にするためには、そのようなバッテリシステムは、2,000以下、またはキロワット時あたり$ 100の費用がかかります。

元DOE秘書官とノーベル賞受賞者のスティーブン・チュー(Stanford)教授は現在、再生可能エネルギーへの移行を支援する技術の奨励に長年関心を持っている。

「正確な材料とデザインにはまだ開発が必要ですが、このプロトタイプは、低コスト、長寿命、実用スケールのバッテリを実現する新しい方法を提案する科学と工学のタイプを実証しています。研究チーム。

グリッドへの電源供給

DOEの見積もりによると、米国の電力の70パーセントは、二酸化炭素排出量の40%を占める石炭または天然ガスプラントによって生成されます。 風力や太陽光発電に移行することは、これらの排出を削減する1つの方法です。 しかし、それは電源の変動性を含む新たな課題を生み出します。 最も明白なことに、太陽は日によってのみ輝き、ときには風が吹かないことがあります。

しかし、それほどよく理解されていないが、重要な形のばらつきは、グリッド上での需要の急増から生じる。それは地域や究極的には家庭に電力を分配する高張力線のネットワークである。 暑い日に、人々が仕事から家に帰って空調設備を増やすときには、電力需要を満たす負荷分散戦略が必要です。グリッドを落とす可能性のある停電や停電を避けるために数分で発電を増強する何らかの方法。

今日、電力会社は、オンデマンドまたは「ディスパッチ可能な」発電所を起動することで、多くの場合、日中の多くの時間が空いていても数分でオンラインになることができます。 いくつかのユーティリティは、化石燃料燃焼プラントに依存しない短期ロードバランシングを開発しています。

最も一般的で費用対効果の高い戦略は、水力発電をポンピングすることです。余剰電力を使用して上り坂を送ってから、ピーク需要時にエネルギーを生成するために下水道に戻します。 しかし、水力発電は、十分な水と空間を持つ地域でのみ機能します。 DOEは、風力や太陽光をより有効にするために、代替バッテリーとして大容量バッテリーを推奨しています。

競争を打つ

Cuiによると、市場にはいくつかのタイプの二次電池技術がありますが、どちらの方法がDOE要件を満たし、電力会社、規制当局、および全米の電力網を維持する他の利害関係者に対して実用性を証明するかは不明です。

例えばCui氏は、携帯電話やラップトップを走らせるのに必要な少量のエネルギーを蓄える充電式リチウムイオン電池は、希少物質に基づいているため、近所や都市の電力を貯蔵するには高価すぎると述べている。 Cui氏は、グリッド規模のストレージには、低コストで大容量の充電式バッテリが必要だと述べています。 マンガン - 水素プロセスは有望と思われる。

「その他の二次電池技術は、寿命の5倍以上のコストを簡単に実現します」とCui氏は付け加えます。

陳氏は、新規の化学物質、低コストの材料、および比較的単純なことが、マンガン水素電池を低コストのグリッドスケール展開に理想的なものにしたと語っています。

プロトタイプは、それ自体を証明する開発作業を必要とします。 1つは、電極で重要な化学反応を促進して再充電プロセスを効率的にする触媒として白金を使用し、そのコンポーネントのコストが大規模な導入には不利になります。 しかし、陳氏は、このチームは、可逆的な電子交換を行うために硫酸マンガンと水を紡糸する安価な方法にすでに取り組んでいると語る。

「私たちは、100 /キロワット時のDOE目標を下回る可能性のある触媒を特定しました。

DOE要件の2倍の試作品の10,000再チャージを行うと報告されていますが、寿命と性能を真に評価するために、実際の電気グリッドストレージ条件下でマンガン水素電池をテストする必要があると言います。

Cui氏は、スタンフォード技術ライセンス局を通じてプロセスの特許を取得しようとしており、システムを商用化する企業を設立する計画だと語った。

著者について

スタンフォード大学の材料科学教授であるYi Cuiは、この論文の上級著者です。 追加の共著者は中国科学アカデミーとスタンフォード出身です。 エネルギー省が研究資金を調達した。

情報源: スタンフォード大学

関連書籍

at InnerSelfMarketとAmazon