그리드 복원력을 위해 재생 에너지 통합을 목표로 하는 새로운 나트륨, 알루미늄 배터리 저비용, 지구에 풍부한 원자재는 새로운 그리

[아름이]

그리드 복원력을 위해 재생 에너지 통합을 목표로 하는 새로운 나트륨, 알루미늄 배터리
저비용, 지구에 풍부한 원자재는 새로운 그리드 에너지 저장 솔루션에 동력을 공급합니다.
날짜:
2023년 2월 7일
원천:
DOE/퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소
요약:
새로운 나트륨 배터리 기술은 재생 가능 에너지를 전기 그리드에 통합하는 데 도움이 될 가능성을 보여줍니다. 배터리는 알루미늄 및 나트륨과 같은 지구에 풍부한 원료를 사용합니다.

에너지 저장 재료( Energy Storage Materials )에 발표된 연구에 따르면 새로운 배터리 설계는 지구에 풍부한 금속을 사용하여 저렴한 비용으로 국가의 전력망에 재생 가능 에너지를 쉽게 통합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 미국 에너지부(Department of Energy)의 태평양 북서부 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)가 이끄는 연구팀은 저비용 금속 나트륨 및 알루미늄으로 구축된 그리드 에너지 저장 배터리의 새로운 설계가 더 안전하고 확장 가능한 고정식 에너지 ​​저장 시스템을 향한 경로를 제공한다는 것을 입증했습니다.

재료 과학자인 Guosheng Li는 "우리는 이 새로운 용융염 배터리 설계가 기존의 다른 고온 나트륨 배터리보다 훨씬 빠르게 충전 및 방전할 수 있고, 낮은 온도에서 작동하며 우수한 에너지 저장 용량을 유지할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다."라고 말했습니다. PNNL에서 연구의 수석 연구원. "우리는 상업적으로 이용 가능한 고온 나트륨 배터리 기술보다 100°C[212°F] 이상 더 낮은 온도에서 이 새로운 나트륨 기반 화학으로 비슷한 성능을 얻으면서도 지구에 더 풍부한 물질을 사용하고 있습니다."

더 많은 에너지 저장 장치 제공

이 연구를 지원한 DOE의 Office of Electricity, Energy Storage Program의 Imre Gyuk 이사는 "저렴한 국내에서 구할 수 있는 재료로 구축된 이 배터리 기술은 우리 국가의 청정 에너지 목표를 달성하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있게 해줍니다."라고 말했습니다.

새로운 나트륨 기반 용융염 배터리는 두 가지 별개의 반응을 사용합니다. 팀은 이전에 중성 용융 염 반응을 보고했습니다. 새로운 발견은 이 중성 용융 염이 산성 용융 염으로 추가 반응을 겪을 수 있음을 보여줍니다. 결정적으로 이 두 번째 산성 반응 메커니즘은 배터리 용량을 증가시킵니다. 구체적으로, 고전류에서 345회 충전/방전 사이클 후에 이 산성 반응 메커니즘은 최고 충전 용량의 82.8%를 유지했습니다.

방전 과정에서 배터리가 전달할 수 있는 에너지를 비에너지 밀도라고 하며 "킬로그램당 와트시"(Wh/kg)로 표시됩니다. 배터리가 초기 단계 또는 "코인 셀" 테스트에 있지만 연구자들은 최대 100Wh/kg의 실용적인 에너지 밀도를 얻을 수 있다고 추측합니다. 이에 비해 상업용 전자 제품 및 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 약 170-250Wh/kg입니다. 그러나 새로운 나트륨-알루미늄 배터리 디자인은 훨씬 더 풍부한 재료로 미국에서 저렴하고 쉽게 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.

"최적화를 통해 우리는 특정 에너지 밀도와 수명 주기가 훨씬 더 높고 길어질 수 있을 것으로 기대합니다."라고 Li는 덧붙였습니다.

나트륨 배터리는 그 기질을 보여줍니다

실제로 PNNL 과학자들은 미국에 기반을 둔 재생 에너지 개척자 Nexceris의 동료들과 협력하여 배터리를 조립하고 테스트했습니다. Nexceris는 새로운 사업인 Adena Power를 통해 특허받은 고체 상태의 나트륨 기반 전해질을 PNNL에 공급하여 배터리 성능을 테스트했습니다. 이 중요한 배터리 구성 요소는 나트륨 이온이 충전될 때 배터리의 음극(양극)에서 양극(음극) 쪽으로 이동할 수 있도록 합니다.

PNNL 배터리 기술 전문가인 Vince Sprenkle은 "이 기술에 대한 우리의 주요 목표는 10~24시간 동안 태양 에너지를 전기 그리드로 매일 저렴한 비용으로 전환하는 것"이라고 말했습니다. 에너지 저장 시스템 및 관련 기술. "이곳은 풍력 및 태양광 발전과 같은 재생 가능한 자원으로부터 진정한 그리드 탄력성을 제공하기 위해 더 높은 수준의 재생 에너지를 전기 그리드에 통합하는 것에 대해 생각할 수 있는 최적의 지점입니다."

Sprenkle은 이 배터리의 새로운 유연한 디자인을 개발한 팀의 일원이었습니다. 이 디자인은 또한 배터리를 기존의 관 모양에서 평평하고 확장 가능한 배터리로 전환했습니다. 그리드 규모 데모 크기. 더 중요한 것은 이 평평한 전지 디자인이 단순히 더 두꺼운 음극을 사용하여 전지 용량을 증가시킬 수 있다는 것입니다. 연구원들은 이 작업에서 실험실 조건에서 28.2시간의 지속 방전으로 3중 용량 전지를 시연하기 위해 활용했습니다.

리튬 이온 배터리를 포함한 대부분의 최신 배터리 기술은 단기 에너지 저장에 매우 적합합니다. 10시간 이상의 에너지 저장에 대한 수요를 충족하려면 현재의 최신 배터리 기술을 뛰어넘는 새롭고 저렴하며 안전하고 수명이 긴 배터리 개념을 개발해야 합니다. 이 연구는 그 목표를 향한 유망한 실험실 규모의 시연을 제공합니다.

그리드 복원력 테마의 변형

재생 에너지로 생성된 에너지를 저장하고 필요에 따라 전력망에 방출하는 기능은 많은 새로운 디자인이 관심과 고객을 위해 경쟁하면서 배터리 기술의 급속한 발전을 주도했습니다. 각각의 새로운 변형은 자체 틈새 용도의 요구 사항을 충족해야 합니다. PNNL의 동결-해동 배터리 설계를 사용하는 것과 같은 일부 배터리는 한 번에 몇 달 동안 계절에 따라 생성된 에너지를 저장할 수 있습니다.

계절별 배터리와 비교할 때 이 새로운 디자인은 특히 12~24시간 동안 단기 및 중기 그리드 에너지 저장에 적합합니다. 그것은 나트륨-금속 할로겐화물 전지라고 불리는 것의 변형입니다. 시스템의 일부로 니켈 음극을 사용하는 유사한 설계가 상업적 규모에서 효과적인 것으로 나타났으며 이미 상업적으로 이용 가능합니다.

"우리는 배터리 성능을 희생하지 않으면서 비교적 희소하고 값비싼 원소인 니켈의 필요성을 없앴습니다."라고 Li는 말했습니다. "니켈보다 알루미늄을 사용하는 또 다른 이점은 알루미늄 음극이 더 빨리 충전된다는 것입니다. 이는 이 작업에서 입증된 더 긴 방전 시간을 가능하게 하는 데 중요합니다."

이 이정표에 도달하면서 팀은 방전 기간을 늘리기 위한 추가 개선에 집중하고 있으며, 이를 통해 재생 가능 전원을 더 많이 통합할 수 있도록 그리드 유연성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

PNNL 배터리 전문가이자 연구 공동 저자인 데이비드 리드(David Reed)는 또한 더 낮은 온도에서 작동하기 때문에 기존의 고온 나트륨 배터리에서처럼 더 복잡하고 값비싼 구성 요소와 공정을 필요로 하는 대신 저렴한 배터리 재료로 제조할 수 있다고 말했습니다. .

저렴한 비용으로 더 많은 그리드 에너지 저장

2023년에 리튬 이온 배터리를 사용하는 그리드 에너지 저장을 위한 최신 기술은 약 4시간의 에너지 저장 용량이라고 Sprenkle은 말했습니다. "이 새로운 시스템은 우리가 재료 및 제조에 대한 예상 비용 목표에 도달할 수 있다면 저장된 에너지 용량의 양을 크게 증가시킬 수 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

연구의 일환으로 연구원들은 저렴한 원자재를 기반으로 한 나트륨-알루미늄 배터리 설계가 활성 물질에 대해 kWh당 단 $7.02의 비용이 들 수 있다고 추정했습니다. 최적화와 실질적인 에너지 밀도 증가를 통해 그들은 이 비용을 더욱 낮출 수 있을 것으로 예상합니다. 이 유망한 저비용 그리드 규모의 저장 기술은 풍력 및 태양열 발전과 같은 간헐적 재생 에너지가 국가의 전기 그리드에 보다 역동적으로 기여할 수 있도록 합니다.

연구 공동 저자이자 나트륨 고체 배터리 제조업체인 Adena Power의 회장인 Neil Kidner는 PNNL과 협력하여 나트륨 기반 배터리 기술을 발전시키고 있습니다. "이 연구는 우리의 나트륨 전해질이 우리의 특허 기술뿐만 아니라 나트륨-알루미늄 배터리 설계와도 작동한다는 것을 보여줍니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 나트륨 배터리 기술을 발전시키기 위해 PNNL 연구 팀과의 파트너십을 지속하기를 기대합니다."

이 연구는 DOE 전력청과 한국에너지기술평가원의 국제협력 에너지기술 R&D 프로그램의 지원을 받았다. 전해질 개발은 DOE Small Business Innovation Research 프로그램에 의해 지원되었습니다. 핵 자기 공명 측정은 생물학 및 환경 연구 프로그램이 후원하는 과학 사용자 시설의 DOE 사무실인 EMSL, 환경 분자 과학 실험실에서 이루어졌습니다.

PNNL의 그리드 현대화 연구와 2024년에 개장하는 Grid Storage Launchpad에 대해 자세히 알아보세요.

출처 : https://www.sciencedaily.com/