Solusi penyimpanan energi yang mengalir seperti es krim lembut

  • Whatsapp


Para peneliti membuat kasus untuk senyawa elektrokimia semipadat sebagai cadangan baterai skala grid yang hemat biaya untuk tenaga angin dan matahari.

Baterai yang terbuat dari campuran konduktif listrik dengan konsistensi molase dapat membantu memecahkan bagian penting dari teka-teki dekarbonisasi. Tim interdisipliner dari MIT telah menemukan bahwa teknologi elektrokimia yang disebut baterai aliran semipadat dapat menjadi bentuk penyimpanan energi dan cadangan energi yang bersaing dengan biaya untuk sumber energi terbarukan variabel (VRE) seperti angin dan matahari. Penelitian kelompok ini dijelaskan dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Joule.

“Transisi ke energi bersih membutuhkan sistem penyimpanan energi dengan durasi yang berbeda ketika matahari tidak bersinar dan angin tidak bertiup,” kata Emre Gençer, seorang ilmuwan penelitian di MIT Energy Initiative (MITEI) dan anggota dari tim. “Pekerjaan kami menunjukkan bahwa baterai aliran semipadat bisa menjadi pilihan yang menyelamatkan nyawa dan juga ekonomis ketika sumber VRE ini tidak dapat menghasilkan daya selama satu hari atau lebih — dalam kasus bencana alam, misalnya.”

Peneliti MIT telah mengembangkan baterai aliran semipadat baru yang menggunakan campuran yang mengandung partikel mangan dioksida yang tersebar, bersama dengan aditif konduktif elektrik yang disebut karbon hitam, yang memungkinkan konversi energi elektrokimia yang efisien ketika direaksikan dengan suspensi atau pelat seng. Kredit gambar: Thaneer Narayanan, MIT

Seng-mangan dioksida yang dapat diisi ulang (Zn-MnO2) baterai yang diciptakan para peneliti mengalahkan pesaing penyimpanan energi berdurasi panjang lainnya. “Kami melakukan analisis bottom-up yang komprehensif untuk memahami bagaimana komposisi baterai memengaruhi kinerja dan biaya, dengan melihat semua pertukarannya,” kata Thaneer Malai Narayanan SM ’18, PhD ’21. “Kami menunjukkan bahwa sistem kami bisa lebih murah daripada yang lain, dan dapat ditingkatkan.”

Narayanan, yang melakukan pekerjaan ini di MIT sebagai bagian dari doktornya di bidang teknik mesin, adalah penulis utama makalah ini. Penulis tambahan termasuk Gençer, Yunguang Zhu, seorang postdoc di MIT Electrochemical Energy Lab; Gareth McKinley, Profesor Inovasi Pengajaran Sekolah Teknik dan profesor teknik mesin di MIT; dan Yang Shao-Horn, Profesor Teknik JR East, profesor teknik mesin dan ilmu material dan teknik, dan anggota Research Laboratory of Electronics (RLE), yang memimpin MIT Electrochemical Energy Lab.

Mengikuti arus

Pada tahun 2016, Narayanan memulai studi pascasarjananya, bergabung dengan Laboratorium Energi Elektrokimia, pusat penelitian dan eksplorasi solusi untuk mengurangi perubahan iklim, yang berpusat pada bahan kimia baterai yang inovatif serta bahan bakar dan bahan kimia dekarbonisasi. Satu peluang menarik untuk lab: mengembangkan sistem energi cadangan rendah dan tanpa karbon yang cocok untuk kebutuhan skala jaringan saat pembangkitan VRE ditandai.

Sementara laboratorium menjaring luas, menyelidiki konversi energi dan penyimpanan menggunakan sel bahan bakar oksida padat, baterai lithium-ion, dan baterai logam-udara, antara lain, Narayanan menaruh minat khusus pada baterai aliran. Dalam sistem ini, dua larutan kimia (elektrolit) yang berbeda dengan ion negatif atau positif dipompa dari tangki terpisah, bertemu melintasi membran (disebut tumpukan). Di sini, aliran ion bereaksi, mengubah energi listrik menjadi energi kimia — pada dasarnya, mengisi baterai. Ketika ada permintaan untuk energi yang tersimpan ini, solusinya dipompa kembali ke tumpukan untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik lagi.

Durasi waktu aliran baterai dapat dikosongkan, melepaskan listrik yang tersimpan, ditentukan oleh volume larutan elektrolit bermuatan positif dan negatif yang mengalir melalui tumpukan. Secara teori, selama larutan ini terus mengalir, bereaksi, dan mengubah energi kimia menjadi energi listrik, sistem baterai dapat menyediakan listrik.

“Untuk cadangan yang bertahan lebih dari satu hari, arsitektur aliran baterai menunjukkan bahwa mereka bisa menjadi pilihan yang murah,” kata Narayanan. “Anda mengisi ulang solusi di tangki dari sumber tenaga matahari dan angin.” Ini membuat seluruh sistem bebas karbon.

Tapi sementara janji teknologi baterai aliran telah memberi isyarat setidaknya selama satu dekade, kinerja yang tidak merata dan biaya bahan yang dibutuhkan untuk sistem baterai ini telah memperlambat implementasinya. Jadi, Narayanan memulai perjalanan ambisius: merancang dan membangun baterai aliran yang dapat mencadangkan sistem VRE selama satu hari atau lebih, menyimpan dan mengeluarkan energi dengan efisiensi yang sama atau lebih besar daripada saingan cadangan; dan untuk menentukan, melalui analisis biaya yang ketat, apakah sistem seperti itu dapat terbukti layak secara ekonomi sebagai pilihan energi jangka panjang.

Kolaborator multidisiplin

Untuk menyerang tantangan multi-cabang ini, proyek Narayanan menyatukan, dalam kata-katanya, “tiga raksasa, ilmuwan yang semuanya terkenal di bidangnya”: Shao-Horn, yang berspesialisasi dalam fisika kimia dan ilmu elektrokimia, dan desain material; Gençer, yang menciptakan model ekonomi terperinci dari sistem energi yang muncul di MITEI; dan McKinley, seorang ahli reologi, fisika aliran. Ketiganya juga menjabat sebagai pembimbing tesisnya.

“Saya sangat senang bekerja dalam tim interdisipliner seperti itu, yang menawarkan kesempatan unik untuk menciptakan arsitektur baterai baru dengan merancang transfer muatan dan pengangkutan ion dalam elektroda semi-padat yang dapat mengalir, dan untuk memandu rekayasa baterai menggunakan tekno-ekonomi baterai yang dapat mengalir seperti itu. , ”kata Shao-Horn.

Sementara sistem baterai aliran lain yang diperebutkan, seperti baterai aliran redoks vanadium, menawarkan kapasitas penyimpanan dan kepadatan energi untuk mencadangkan megawatt dan sistem daya yang lebih besar, mereka bergantung pada bahan kimia mahal yang menjadikannya taruhan buruk untuk tujuan durasi lama. Narayanan sedang berburu komponen kimia yang lebih murah yang juga memiliki potensi energi yang kaya.

Melalui serangkaian percobaan bangku, para peneliti datang dengan elektroda baru (konduktor listrik) untuk sistem baterai: campuran yang mengandung mangan dioksida terdispersi (MnO2) partikel, ditembakkan dengan aditif konduktif elektrik, karbon hitam. Senyawa ini bereaksi dengan larutan seng konduktif atau pelat seng di tumpukan, memungkinkan konversi energi elektrokimia yang efisien. Sifat cairan baterai ini jauh dari larutan berair yang digunakan oleh baterai aliran lainnya.

“Ini semipadat – bubur,” kata Narayanan. “Seperti cat hitam tebal, atau mungkin es krim lembut,” saran McKinley. Karbon hitam menambahkan pigmen dan pukulan listrik. Untuk sampai pada campuran elektrokimia yang optimal, para peneliti mengubah formula mereka berkali-kali.

Sistem ini harus mampu mengalir di bawah tekanan yang wajar, tetapi juga memiliki tegangan leleh yang lemah sehingga MnO aktif2 partikel tidak tenggelam ke dasar tangki aliran saat sistem tidak digunakan, serta tidak terpisah menjadi baterai/fase cairan bening berminyak dan pasta padat partikel karbon dan MnO2,” kata McKinley.

Serangkaian eksperimen ini menginformasikan analisis teknoekonomi. Dengan “menghubungkan titik-titik antara komposisi, kinerja, dan biaya,” kata Narayanan, dia dan Gençer dapat membuat perhitungan biaya dan efisiensi tingkat sistem untuk Zn-MnO2 baterai.

“Menilai biaya dan kinerja teknologi awal sangat sulit, dan ini adalah contoh bagaimana mengembangkan metode standar untuk membantu para peneliti di MIT dan di tempat lain,” kata Gençer. “Satu pesan di sini adalah bahwa ketika Anda memasukkan analisis biaya pada tahap pengembangan pekerjaan eksperimental Anda, Anda mendapatkan pemahaman awal yang penting tentang implikasi biaya proyek Anda.”

Dalam putaran terakhir studi mereka, Gençer dan Narayanan membandingkan Zn-MnO2 baterai ke satu set baterai elektrokimia setara dan sistem cadangan hidrogen, melihat biaya modal menjalankan mereka pada jangka waktu delapan, 24, dan 72 jam. Temuan mereka mengejutkan mereka: Untuk pengosongan baterai lebih dari satu hari, baterai aliran semipadat mereka mengalahkan baterai lithium-ion dan baterai aliran redoks vanadium. Ini benar bahkan ketika memperhitungkan biaya besar untuk memompa MnO2 bubur dari tangki ke tumpukan. “Saya skeptis, dan tidak menyangka baterai ini akan kompetitif, tetapi setelah saya melakukan perhitungan biaya, itu masuk akal,” kata Gençer.

Tetapi cadangan baterai bebas karbon adalah bisnis yang sangat mirip dengan Goldilocks: Situasi yang berbeda memerlukan solusi durasi yang berbeda, baik antisipasi hilangnya tenaga surya dalam semalam, atau gangguan berbasis iklim jangka panjang di jaringan listrik. “Lithium-ion sangat bagus untuk cadangan delapan jam ke bawah, tetapi bahannya terlalu mahal untuk waktu yang lebih lama,” kata Gençer. “Hidrogen sangat mahal untuk jangka waktu yang sangat singkat, dan bagus untuk jangka waktu yang sangat lama, dan kita akan membutuhkan semuanya.” Ini berarti masuk akal untuk terus mengerjakan Zn-MnO2 sistem untuk melihat di mana itu mungkin cocok.

“Langkah selanjutnya adalah mengambil sistem baterai kami dan membangunnya,” kata Narayanan, yang sekarang bekerja sebagai teknisi baterai. “Penelitian kami juga menunjukkan jalan ke kimia lain yang dapat dikembangkan di bawah platform baterai aliran semi-padat, sehingga kami dapat melihat teknologi semacam ini digunakan untuk penyimpanan energi di masa hidup kami.”

Ditulis oleh Leda Zimmerman

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts




Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan.

Situs ini menggunakan Akismet untuk mengurangi spam. Pelajari bagaimana data komentar Anda diproses.