Der nationale Übergang zu Netto-Null-CO2-Emissionen bis 2050 wird unserem Stromnetz mehr abverlangen als je zuvor. Stationäre Energiespeichersysteme sind entscheidend für die Netzausfallsicherheit, indem sie sicherstellen, dass der Strom aus erneuerbaren Energiequellen verfügbar ist, wann und wo er benötigt wird.
Energieeffiziente Gebäude der Zukunft wenden sich ganzheitlichen BTMS-Systemdesigns (Hinter-dem-Zähler-Speicher) zu, um Kosten und Netzauswirkungen zu minimieren, da sie das Laden von Elektrofahrzeugen, die Photovoltaik-Erzeugung und Gebäudeanforderungen unter Verwendung steuerbarer Lasten zur Erzeugung und Speicherung integrieren können Energie vor Ort.
Als Teil des US-Energieministeriums BTMS-Konsortiumführen Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) die Entwicklung neuer Lithium-Ionen-Batteriedesigns (Li-Ion) an, die speziell auf die Anforderungen der stationären Speicherung zugeschnitten sind.
„Wir wissen bereits viel über Lithium-Ionen-Batterien, aber Batterien für verschiedene Anwendungen haben unterschiedliche Anforderungen“, sagte NREL-Forscher und Projektleiter Yeyoung Ha. „Unsere Forschung untersucht, wie die Entwicklungen aus der Batterieforschung für Elektrofahrzeuge für neue Anwendungen in der stationären Speicherung genutzt werden können.“
BTMS-Systeme haben andere Lade- und Entlademuster als ein typisches Elektrofahrzeug und erfordern Lithium-Ionen-Batteriematerialien, die diese einzigartigen Prioritäten erfüllen. Li-Ionen-Batteriedesigns mit einem Li4Ti5Ö12 (LTO) Anode und LiMn2Ö4 (LMO)-Kathoden sind vielversprechende Kandidaten ohne kritische Materialien, die die Sicherheit und lange Lebensdauer bieten, die für BTMS-Systeme erforderlich sind. Während diese Zellen im konventionellen Design eine vergleichsweise geringe Energiedichte aufweisen, zeigen neue Forschungsergebnisse des NREL, veröffentlicht in der Zeitschrift der Electrochemical Societyvertiefte sich weiter in das Versprechen Möglichkeiten, aber auch Grenzen des Einsatzes von LTO/LMO-Batteriezellen für den stationären Speichereinsatz.
Dieses Projekt bewertete die temperaturabhängige Leistung von LTO/LMO-Zellen mit verschiedenen Elektrodenbeladungen. Die Forscher stellten fest, dass die Verwendung dickerer Elektroden in Batteriedesigns die Zellkapazität und Energiedichte erhöhen und gleichzeitig die Gesamtzellkosten senken kann. Diese dickeren Elektroden erfordern jedoch, dass Ionen einen längeren Weg zurücklegen, was die Verwendung von Elektroden einschränkt. Temperaturanpassungen können diese negativen Auswirkungen mildern, können jedoch zusätzliche Komplikationen mit sich bringen. Die Kunst besteht darin, eine Batterie zu entwerfen, die die beste Balance für stationäre Anwendungen bietet.
„Unser Ziel bei dieser Forschung ist es, einen „Sweet Spot“ zu identifizieren, um die Vorteile der Elektrodenbelastung und erhöhten Temperaturen zu nutzen, um die Leistung von LTO/LMO-Batteriezellen zu maximieren“, sagte Ha. „Unsere Forschung verfeinerte Materialdesigns speziell für BTMS und wandelte diese bekannte Leistungschemie in Energiezellen um.“
Das NREL-Team verifizierte seine Ergebnisse weiter, indem es elektrochemische Modellierung anwendete, um Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen und Elektrodendicken zu simulieren. Diese Modellierung betonte in Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen die Auswirkungen von Transportbeschränkungen und informierte Strategien zur Verbesserung der Zellleistung. Dadurch, dass Batterien während der Entladung eine intermittierende Ruhezeit haben, anstatt wie bei Elektrofahrzeugen vollständig entladen zu werden, wurde die Elektrodennutzung erheblich verbessert. Die Forscher fanden heraus, dass diese Art der gepulsten Entladung gut für stationäre BTMS-Anwendungen geeignet ist, bei denen die Batterien nur bei intermittierendem Bedarf verwendet und dann wieder in eine Ruhephase überführt werden.
Obwohl diese optimierten LTO/LMO-Batteriezellen viele Vorteile bieten, untersucht das Forschungsteam auch Kathodenoptionen, die die Anforderungen von BTMS-Systemen besser erfüllen könnten. Das Fachwissen von NREL in der Materialentwicklung wird mit der hochmodernen elektrochemischen Modellierung kombiniert, die in diesem Projekt verwendet wird, um die weitere Erforschung neuer Materialien und experimenteller Batteriedesigns für die stationäre Speicherung und darüber hinaus zu rationalisieren.
Erfahren Sie mehr über NRELs Forschung zur Energiespeicherung und nachhaltige Verkehrs- und Mobilitätsforschung.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien. Von Rebecca Martineau.
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