Vědci vyvinuli bezpečnou a ekonomickou dobíjecí vodnou baterii, která řeší omezení současných lithium-iontových baterií používaných v systémech skladování energie (ESS). Jejich inovace spočívá v komplexním katalyzátoru vyrobeném z oxidu manganičitého a palladia, který přeměňuje nebezpečný plynný vodík na vodu, přičemž zachovává bezpečnost a výkon. Tento průlom otevírá dveře komercializaci těchto baterií v energetických službách a dalších průmyslových odvětvích a poskytuje nákladově efektivní a bezpečnější alternativu k současným technologiím.
Inovativní technologie umožňuje bezpečnou přeměnu plynného vodíku na vodu, čímž se zvyšuje bezpečnost baterie. Tento pokrok otevírá cestu pro komercializaci bezpečných a cenově dostupných dobíjecích vodních baterií.
Toto léto zažívá Země extrémní počasí, včetně extrémních veder a silných dešťů. Naléhavá potřeba přijmout obnovitelné zdroje energie a zlepšit související infrastrukturu je důležitější než kdy jindy jako strategie k ochraně naší planety v těchto náročných časech. Tento přístup však čelí významným výzvám kvůli nepředvídatelné povaze výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, která závisí na nejistých proměnných, jako jsou nestálé povětrnostní podmínky.
Z tohoto důvodu neustále roste poptávka po systémech skladování energie (ESS), které mohou ukládat a dodávat elektřinu podle potřeby, ale lithium-iontové baterie (LIB), které se v současnosti používají v systémech skladování energie, jsou nejen drahé, ale také citlivé na možnost požáru. Proto existuje naléhavá potřeba vyvinout levnější a bezpečnější alternativy.
Důvody pro generování vodíku a neustálé hromadění uvnitř článku v dobíjecích vodních bateriích. Kredit: Korea Institute of Science and Technology
Pokroky v dobíjecích vodních bateriích
Výzkumný tým vedený Dr. Oh Si-hyungem z Výzkumného centra skladování energie na Korejském institutu vědy a technologie (KIST) vyvinul extrémně bezpečnou dobíjecí vodní baterii, která může nabídnout včasnou alternativu, která splňuje potřeby nákladů a bezpečnosti.
Navzdory nižší dosažitelné hustotě energie mají dobíjecí vodné baterie významnou ekonomickou výhodu, protože náklady na suroviny jsou mnohem nižší než u baterií LIB. Vlastní vodíkový plyn vznikající rozkladem parazitní vody však způsobuje postupný nárůst vnitřního tlaku a nakonec vyčerpání elektrolytu, což představuje velkou hrozbu pro bezpečnost baterie, což ztěžuje komercializaci.
Navrhovaná strategie k zajištění bezpečnosti dobíjecích vodních baterií regenerací vody. Kredit: Korea Institute of Science and Technology
Překonání bezpečnostních problémů v technologii baterií
Až dosud se výzkumníci často snažili tomuto problému vyhnout instalací povrchové ochranné vrstvy, která zmenšuje kontaktní plochu mezi kovovou anodou a elektrolytem. Koroze kovové anody a doprovodný rozklad vody v elektrolytu je však ve většině případů nevyhnutelný a neustálé hromadění plynného vodíku může při dlouhodobém provozu způsobit potenciální explozi.
Úloha komplexních katalyzátorů při aktivaci chemické reakce regenerace vody. Kredit: Korea Institute of Science and Technology
K vyřešení tohoto kritického problému vyvinul výzkumný tým kompozitní katalyzátor sestávající z oxidu manganičitého a palladia, který je schopen automaticky přeměnit plynný vodík generovaný uvnitř článku na vodu, čímž zajistí výkon a bezpečnost článku.
Oxid manganičitý za normálních podmínek nereaguje s plynným vodíkem, ale po přidání malého množství palladia je vodík snadno absorbován katalyzátory a regenerován na vodu. V prototypu nově vyvinutého článku plněného katalyzátorem byl vnitřní tlak článku udržován hluboko pod bezpečnostním limitem a nebylo pozorováno žádné vyčerpání elektrolytu.
Důsledky pro budoucnost skladování energie
Výsledky tohoto výzkumu účinně řeší jeden z nejzávažnějších bezpečnostních problémů ve vodných bateriích, což vede k významnému kroku ke komerčnímu využití ESS v budoucnu. Nahrazení LIB levnějšími a bezpečnějšími vodními bateriemi by mohlo vést k rychlému růstu globálního trhu s ESS.
„Tato technologie se týká personalizované bezpečnostní strategie pro dobíjecí vodné baterie, založené na vestavěném mechanismu aktivní bezpečnosti, jehož prostřednictvím jsou rizikové faktory automaticky kontrolovány,“ řekl Dr. Oh Si-hyung z Harvardské univerzity. Kist. „Navíc ji lze použít v mnoha průmyslových zařízeních, kde je únik vodíku jedním z hlavních bezpečnostních problémů (např. vodíková plynárna, jaderná elektrárna atd.), aby byla chráněna bezpečnost veřejnosti.“
Reference: „Vysoce bezpečné dobíjecí vodní baterie prostřednictvím regenerace elektrolytu pomocí katalytického cyklu Pd-MnO2“ od Hyun Ji-joo, Eoyeon Lee, Sulki Han, Jaehyung Lim, Minji Jeong, Jinyun Hwang, Hee-Dae Lim, Hyung-seok Kim, Hyung Chul Ham a Si Hyung Oh, 14. července 2023, Materiály pro skladování energie.
doi: 10.1016/j.ensm.2023.102881
Studie byla financována Ministerstvem vědy a ICT.
„Obhájce Twitteru. Zombie fanatik. Hudební fanoušek. Milovník cestování. Webový expert. Pivní guru. Kávový fanatik.“
