Laut einer kürzlich veröffentlichten Studie könnte ein neues Batteriedesign dazu beitragen, die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz des Landes zu geringeren Kosten zu erleichtern, indem auf der Erde reichlich vorhandene Metalle verwendet werden EnergiespeichermaterialS. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Energieministeriums Nationales Labor des pazifischen Nordwestenszeigte, dass das neue Design für eine Netzspeicherbatterie aus den kostengünstigen Metallen Natrium und Aluminium einen Weg zu einem sichereren und besser skalierbaren stationären Energiespeichersystem bietet.
„Wir haben gezeigt, dass dieses neue Design von Salzschmelzbatterien das Potenzial hat, viel schneller als andere herkömmliche Hochtemperatur-Natriumbatterien geladen und entladen zu werden, bei einer niedrigeren Temperatur zu arbeiten und eine hervorragende Energiespeicherkapazität aufrechtzuerhalten“, sagte Guosheng Li, Materialwissenschaftler bei PNNL und der Hauptforscher der Forschung. „Mit dieser neuen Chemie auf Natriumbasis erzielen wir bei über 100 °C eine ähnliche Leistung [212 °F] niedrigere Temperaturen als im Handel erhältliche Hochtemperatur-Natriumbatterietechnologien, während ein Material verwendet wird, das auf der Erde häufiger vorkommt.“
Eine netzgekoppelte Batterie, die hier gezeigt wird und Energie aus erneuerbaren Quellen sammelt, könnte ihre Energie bei Bedarf durch Smart-Grid-Technologie in das Stromnetz einspeisen. (Animation von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory)
Mehr Energiespeicher geliefert
Imre Gyuk, Direktor des DOE Office of Electricity, Energy Storage Program, das diese Forschung unterstützte, bemerkte: „Diese Batterietechnologie, die aus kostengünstigen, im Inland verfügbaren Materialien gebaut wird, bringt uns einen Schritt näher an die Erreichung der Ziele unserer Nation für saubere Energie.“
Die neue geschmolzene Salzbatterie auf Natriumbasis verwendet zwei unterschiedliche Reaktionen. Das Team berichtete zuvor über eine neutrale Reaktion mit geschmolzenem Salz. Die neue Entdeckung zeigt, dass diese neutrale Salzschmelze eine weitere Reaktion zu einer sauren Salzschmelze eingehen kann. Entscheidend ist, dass dieser zweite Säurereaktionsmechanismus die Kapazität der Batterie erhöht. Insbesondere nach 345 Lade-/Entladezyklen bei hohem Strom behielt dieser Säurereaktionsmechanismus 82,8 Prozent der Spitzenladekapazität bei.
Die Energie, die eine Batterie beim Entladevorgang abgeben kann, wird als spezifische Energiedichte bezeichnet, die in „Wattstunde pro Kilogramm“ (Wh/kg) ausgedrückt wird. Obwohl sich die Batterie in einem frühen Stadium oder „Knopfzellen“-Test befindet, spekulieren die Forscher, dass sie zu einer praktischen Energiedichte von bis zu 100 Wh/kg führen könnte. Im Vergleich dazu liegt die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, die in kommerziellen Elektronik- und Elektrofahrzeugen verwendet werden, bei etwa 170–250 Wh/kg. Das neue Natrium-Aluminium-Batteriedesign hat jedoch den Vorteil, dass es in den Vereinigten Staaten aus viel häufiger vorkommenden Materialien kostengünstig und einfach herzustellen ist.
Das neue Natrium-Aluminium-Batteriedesign lässt nur Natrium (dargestellt als gelbe Kugeln) durch den Festkörperelektrolyten strömen, um die Batterie aufzuladen. Es ist ein Vorteil, aus kostengünstigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien wie Natriumsalzen und Aluminiumwolle, einem Abfallprodukt der Aluminiumherstellung, konstruiert zu sein. (Diagramm von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory)
„Mit der Optimierung erwarten wir, dass die spezifische Energiedichte und der Lebenszyklus noch höher und länger werden könnten“, fügte Li hinzu.
Die Natriumbatterie zeigt, was sie kann
Tatsächlich arbeiteten PNNL-Wissenschaftler mit Kollegen des in den USA ansässigen Pioniers für erneuerbare Energien zusammen Nexceris um die Batterie zusammenzubauen und zu testen. Nexceris, durch ihr neues Geschäft Adena-Macht, lieferte seinen patentierten Festkörperelektrolyt auf Natriumbasis an PNNL, um die Leistung der Batterie zu testen. Diese entscheidende Batteriekomponente ermöglicht es den Natriumionen, während des Ladevorgangs von der negativen (Anode) zur positiven (Kathode) Seite der Batterie zu wandern.
„Unser Hauptziel für diese Technologie ist es, eine kostengünstige, tägliche Einspeisung von Solarenergie in das Stromnetz über einen Zeitraum von 10 bis 24 Stunden zu ermöglichen“, sagte er Vince Sprenkle, ein PNNL-Experte für Batterietechnologie mit mehr als 30 patentierten Designs für Energiespeichersysteme und zugehörige Technologie. „Dies ist ein idealer Punkt, an dem wir anfangen können, darüber nachzudenken Integration von höheren Anteilen an erneuerbaren Energien in das Stromnetz ein, um eine echte Netzausfallsicherheit durch erneuerbare Ressourcen wie Wind- und Solarenergie zu gewährleisten.“
Sprenkle war Teil des Teams, das das neue flexible Design dieser Batterie entwickelt hat, das auch die Batterie von einer traditionellen Röhrenform zu einer flachen, skalierbaren Form verlagerte, die einfacher gestapelt und erweitert werden kann, wenn sich die Technologie von Batterien in Münzgröße zu größeren entwickelt Demonstrationsgröße im Rastermaßstab. Noch wichtiger ist, dass dieses Flachzellendesign die Erhöhung der Zellkapazität ermöglicht, indem einfach eine dickere Kathode verwendet wird, was die Forscher in dieser Arbeit nutzten, um eine Zelle mit dreifacher Kapazität mit anhaltender Entladung von 28,2 Stunden unter Laborbedingungen zu demonstrieren.
Die meisten aktuellen Batterietechnologien, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien, eignen sich gut für die kurzfristige Energiespeicherung. Um die Nachfrage nach mehr als 10 Stunden Energiespeicherung zu decken, ist die Entwicklung neuer, kostengünstiger, sicherer und langlebiger Batteriekonzepte erforderlich, die über die aktuellen Batterietechnologien hinausgehen. Diese Forschung bietet eine vielversprechende Demonstration im Labormaßstab für dieses Ziel.
Variation eines Grid-Resilienz-Themas
Die Fähigkeit, aus erneuerbaren Energien erzeugte Energie zu speichern und bei Bedarf an das Stromnetz abzugeben, hat zu schnellen Fortschritten in der Batterietechnologie geführt, wobei viele neue Designs um Aufmerksamkeit und Kunden konkurrieren. Jede neue Variante muss den Ansprüchen der eigenen Nischennutzung genügen. Einige Batterien, wie solche mit dem Gefrier-Tau-Batteriedesign von PNNL, sind in der Lage, saisonal erzeugte Energie über Monate hinweg zu speichern.
Im Vergleich zu einer saisonalen Batterie eignet sich dieses neue Design besonders gut für die kurz- bis mittelfristige Speicherung von Netzenergie über 12 bis 24 Stunden. Es ist eine Variante einer sogenannten Natrium-Metallhalogenid-Batterie. Ein ähnliches Design, das eine Nickelkathode als Teil des Systems verwendet, hat sich im kommerziellen Maßstab als effektiv erwiesen und ist bereits im Handel erhältlich.
„Wir haben den Bedarf an Nickel, einem relativ knappen und teuren Element, eliminiert, ohne die Batterieleistung zu beeinträchtigen“, sagte Li. „Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Aluminium gegenüber Nickel besteht darin, dass sich die Aluminiumkathode schneller auflädt, was entscheidend ist, um die in dieser Arbeit gezeigte längere Entladedauer zu ermöglichen.“
Nachdem dieser Meilenstein erreicht ist, konzentriert sich das Team auf weitere Verbesserungen, um die Entladungsdauer zu verlängern, was die Netzflexibilität für eine stärkere Einbindung erneuerbarer Energiequellen erheblich verbessern könnte.
Und weil es bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet, kann es mit kostengünstigen Batteriematerialien hergestellt werden, anstatt komplexere und teurere Komponenten und Prozesse wie bei herkömmlichen Hochtemperatur-Natriumbatterien zu erfordern, sagte er David Reed, ein PNNL-Batterieexperte und Co-Autor der Studie.
Forschungsteams des Pacific Northwest National Laboratory untersuchen, wie eine Solarenergie- und Batteriespeicheranlage im Versorgungsmaßstab in einer Anlage in der Nähe des Hauptsitzes in Richland, Washington, in das Netz integriert werden kann. Hier überwachen und analysieren sie Daten, um die finanziellen Vorteile der Speicherung erneuerbarer Energien und der Einbindung intermittierender erneuerbarer Energien in das Netz zu bewerten. (Foto von Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)
Mehr Energiespeicherung im Netz zu geringeren Kosten
Im Jahr 2023 liegt der Stand der Technik für die Netzenergiespeicherung mit Lithium-Ionen-Batterien bei etwa vier Stunden Energiespeicherkapazität, sagte Sprenkle. „Dieses neue System könnte die gespeicherte Energiekapazität deutlich erhöhen, wenn wir die erwarteten Kostenziele für Materialien und Herstellung erreichen können“, fügte er hinzu.
Als Teil der Studie schätzten die Forscher, dass ein Natrium-Aluminium-Batteriedesign, das auf preiswerten Rohstoffen basiert, nur 7,02 $ pro kWh für die aktiven Materialien kosten könnte. Durch Optimierung und Erhöhung der praktischen Energiedichte prognostizieren sie, dass diese Kosten noch weiter gesenkt werden könnten. Diese vielversprechende kostengünstige Speichertechnologie im Netzmaßstab könnte es intermittierenden erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie ermöglichen, dynamischer zum Stromnetz des Landes beizutragen.
Neil Kidner, Co-Autor der Studie und Präsident von Adena Power, einem Hersteller von Natriumfestkörperbatterien, arbeitet mit PNNL zusammen, um die Batterietechnologie auf Natriumbasis voranzutreiben. „Diese Forschung zeigt, dass unser Natriumelektrolyt nicht nur mit unserer patentierten Technologie, sondern auch mit einem Natrium-Aluminium-Batteriedesign funktioniert“, sagte er. „Wir freuen uns auf die Fortsetzung unserer Partnerschaft mit dem PNNL-Forschungsteam zur Weiterentwicklung der Natriumbatterietechnologie.“
Die Forschung wurde vom DOE Office of Electricity und dem International Collaborative Energy Technology R&D Program des Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning unterstützt. Die Elektrolytentwicklung wurde durch ein DOE Small Business Innovation Research Programm unterstützt. Die kernmagnetischen Resonanzmessungen wurden im EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer vom Biologischen und Umweltforschungsprogramm gesponserten DOE Office of Science User Facility, durchgeführt.
Erfahren Sie mehr über die Grid-Modernisierungsforschung von PNNL und das Grid Storage Launchpad, das 2024 eröffnet wird.
Mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor des pazifischen Nordwestens.