청정 에너지를 위해 더 작고 저렴한 흐름 배터리를 만듭니다.

[아름이]

청정 에너지를 위해 더 작고 저렴한 흐름 배터리를 만듭니다.
날짜:
2023년 1월 13일
원천:
조지아 공과대학
요약:
플로우 배터리가 솔루션을 제공합니다. 전해질은 이 충전식 배터리의 저장 탱크에서 전기화학 셀을 통해 흐릅니다. 기존 플로우 배터리 기술은 시간당 200달러 이상이며 실제 적용하기에는 너무 비싸지만 엔지니어들은 이제 셀 크기를 75%까지 줄여 크기와 비용을 줄이는 보다 컴팩트한 플로우 배터리 셀 구성을 개발했습니다. 전체 흐름 배터리의. 이 작업은 주요 상업용 건물에서 주거용 주택에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

청정 에너지는 기후 변화에 대한 선도적인 솔루션입니다. 그러나 태양열과 풍력은 신뢰할 수 있는 전력망을 위한 충분한 에너지를 생산하는 데 일관성이 없습니다. 또는 리튬 이온 배터리는 에너지를 저장할 수 있지만 제한된 자원입니다.

"석탄 발전소의 장점은 매우 안정적이라는 것"이라고 조지아 공과 대학의 조교수인 Nian Liu는 말했습니다. "청정 에너지와 같이 전원이 변동하면 관리가 더 어려워지는데 에너지 저장 장치나 시스템을 사용하여 이러한 변동을 완화하려면 어떻게 해야 합니까?"

플로우 배터리가 솔루션을 제공합니다. 전해질은 이 충전식 배터리의 저장 탱크에서 전기화학 셀을 통해 흐릅니다. 기존 플로우 배터리 기술은 시간당 킬로와트당 200달러 이상이며 실제 적용하기에는 너무 비싸지만 화학 및 생체 분자 공학부(ChBE)의 Liu 연구실은 셀 크기를 줄이는 보다 컴팩트한 플로우 배터리 셀 구성을 개발했습니다. 75%, 그에 따라 전체 흐름 배터리의 크기와 비용을 줄입니다. 이 작업은 주요 상업용 건물에서 주거용 주택에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

전체 조지아 공대 연구팀 은 국립 과학 아카데미 회보에 "초고 부피 전력 밀도를 가진 서브밀리미터 번들 미세관 흐름 배터리 셀"이라는 논문에 연구 결과를 발표했습니다 .

흐름 찾기

플로우 배터리는 전자 교환이 일어나는 플로우 셀에서 이름을 얻습니다. 기존 설계인 평면 셀은 부피가 큰 흐름 분배기와 개스킷을 필요로 하므로 크기와 비용은 증가하지만 전반적인 성능은 저하됩니다. 셀 자체도 비싸다. 설치 공간과 비용을 줄이기 위해 연구원들은 플로우 셀의 체적 전력 밀도(W/L-of-cell)를 개선하는 데 집중했습니다.

그들은 화학 분리에 일반적으로 사용되는 구성인 중공 섬유로 알려진 섬유 모양의 필터 멤브레인으로 만들어진 서브밀리미터 번들 미세관(SBMT) 멤브레인으로 전환했습니다. 이 혁신은 추가 지원 인프라 없이도 이온이 통과하는 멤브레인의 압력을 완화할 수 있는 공간 절약형 설계를 갖추고 있습니다.

ChBE의 Ryan Lively 교수는 "우리는 배터리 분리기 구조가 흐름 배터리의 성능에 미치는 영향에 관심이 있었습니다."라고 말했습니다. "우리는 중공 섬유가 분리막에 부여하는 이점을 알고 있었고 배터리 분야에서 동일한 이점을 구현하기 시작했습니다."

이 개념을 적용하여 연구원들은 멤브레인 간 거리를 거의 100배까지 줄이는 SMBT를 개발했습니다. 디자인의 미세관 막은 큰 지지 재료 없이 동시에 전해질 분배기 역할을 합니다. 번들 마이크로튜브는 전극과 멤브레인 사이의 거리를 더 짧게 만들어 체적 전력 밀도를 증가시킵니다. 이 번들 디자인은 흐름 배터리의 잠재력을 극대화하기 위한 핵심 발견입니다.

배터리 전원 공급

새로운 배터리 구성을 검증하기 위해 연구원들은 바나듐, 브롬화 아연, 브롬화 퀴논 및 요오드화 아연의 네 가지 화학 물질을 사용했습니다. 모든 화학 물질이 기능적이지만 두 가지가 가장 유망했습니다. 바나듐은 가장 성숙한 화학 물질이지만 접근하기가 어렵고 환원된 형태는 공기 중에서 불안정합니다. 그들은 요오드화 아연이 가장 에너지 밀도가 높은 옵션으로 주거 단위에 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다. 아연-요오드화물은 리튬에 비해 많은 이점을 제공했습니다. 공급망 문제가 적고 산화아연으로 변환되어 산에 용해될 수 있어 재활용이 훨씬 쉽습니다.

이 독특한 형태의 플로우 배터리에 대한 이 전기화학적 솔루션은 기존 평면 셀보다 더 강력한 것으로 입증되었습니다.

"SMBT의 우수한 성능은 유한 요소 분석으로도 입증되었습니다."라고 토목 및 환경 공학부 조교수인 Xing Xie가 말했습니다. "이 시뮬레이션 방법은 셀 성능 최적화 및 확장을 위한 향후 연구에도 적용될 것입니다."

아연-요오드화물 화학을 사용하면 배터리가 220시간 이상 또는 오프 피크 조건에서 2,500회 이상 작동할 수 있습니다. 또한 재활용 전해질을 사용함으로써 비용을 킬로와트 시간당 $800에서 $200 미만으로 잠재적으로 줄일 수 있습니다.

에너지의 미래 구축

연구원들은 이미 상용화 작업을 진행하고 있으며, 바나듐과 같은 다양한 화학 물질을 가진 배터리를 개발하고 크기를 확장하는 데 중점을 두고 있습니다. 스케일링을 위해서는 중공사 모듈을 제조하기 위한 자동화된 프로세스가 필요하며, 현재는 섬유 하나 하나 수동으로 수행됩니다. 그들은 결국 Tech Square에 있는 Georgia Tech의 1.4메가와트 마이크로그리드에 배터리를 배치하기를 희망합니다. 이 프로젝트는 전력망에 마이크로그리드 통합을 테스트하고 교수와 학생들을 위한 살아있는 실험실을 제공합니다.

SBMT 전지는 전기 분해 및 연료 전지와 같은 다른 에너지 저장 시스템에도 적용될 수 있습니다. 이 기술은 다양한 응용 분야에서 고급 재료와 다양한 화학으로 강화될 수도 있습니다.

Liu는 "이 혁신은 매우 애플리케이션 주도적입니다."라고 말했습니다. "우리는 에너지 생성에서 재생 가능 에너지의 비율을 증가시켜 탄소 중립에 도달해야 할 필요성이 있으며 현재 미국에서는 15% 미만입니다. 우리 연구는 이것을 바꿀 수 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/