na rede eléctrica, a bateria de alta capacidade consiste em metais fundidos que separam naturalmente para formar dois eléctrodos em camadas em ambos os lados do electrólito de sal fundido entre eles. Testes com células feitas de baixo custo, materiais Terra-abundantes confirmar que a bateria líquido opera de forma eficiente sem perder capacidade significativa ou problemas mecanicamente degradante-comuns em baterias de hoje com eletrodos sólidos. Os pesquisadores do MIT já demonstraram um processo simples e de baixo custo para a fabricação de protótipos de sua bateria, e os planos futuros chamam para testes de campo sobre redes de energia em pequena escala, que incluem fontes de geração intermitentes, como a solar ea eólica.
A capacidade de armazenar grandes quantidades de eletricidade e entregá-lo mais tarde, quando for necessário será crucial se as fontes de energia renováveis intermitentes, como a solar ea eólica estão a ser implantado em escalas que ajudam a reduzir as alterações climáticas nas próximas décadas. Tal armazenamento em larga escala também faria rede de energia de hoje mais resistentes e eficientes, permitindo que os operadores para entregar suprimentos rápidas durante interrupções e para atender picos de demanda temporários sem manter a capacidade de geração extra que é caro e raramente usado.
Uma década atrás, a comissão de planejamento da nova Iniciativa de Energia do MIT se aproximou Donald Sadoway, John F. Elliott Professor do MIT of Materials Chemistry, para assumir o desafio de armazenamento de energia grade escala. Na época, a pesquisa do MIT focado na bateria de lítio-íon, então uma tecnologia relativamente nova. As baterias de lítio-íon sendo desenvolvidos eram pequenos, leves e de curta duração, não um problema para dispositivos móveis, que são tipicamente atualizado a cada poucos anos, mas um problema para o uso da rede.
Uma bateria para a rede de energia teve que ser capazes de funcionar com fiabilidade durante anos. Poderia ser grande e estacionária, mas-mais importante-que tinha de ser barato. "A abordagem acadêmica clássico de inventar a química mais legal e, em seguida, tentando reduzir os custos na fase de fabrico não iria funcionar", diz Sadoway. "No setor de energia, você está competindo contra hidrocarbonetos, e eles estão profundamente enraizada e fortemente subsidiados e tenaz." Fazendo uma mudança dramática na produção de energia exigiria uma maneira diferente de pensar sobre armazenamento.
Portanto Sadoway virou-se para um processo que ele conhecia bem: fundição de alumínio. Fundição de alumínio é um grande escala, processo barato conduzida dentro das células eletroquímicas que operam de forma confiável durante longos períodos de metal e produzir a custos muito baixos, enquanto o consumo de grandes quantidades de energia elétrica. Sadoway pensei: "Será que podemos executar a fundição em sentido inverso para que ele dá de volta sua eletricidade?"
A investigação subseqüente levou à bateria de metal líquido. Como uma bateria convencional, este tem eletrodos superior e inferior com um eletrólito entre eles (ver figura 1 no slideshow acima). Durante a descarga e recarga, íons metálicos carregados positivamente viajar de um eletrodo para o outro através do eletrólito, e os elétrons fazem a mesma viagem através de um circuito externo. Na maioria das baterias, os eletrodos-e, por vezes, o eletrólito-são sólidos. Mas, na bateria do Sadoway, todos os três são líquidos. O eletrodo-o negativo camada superior na bateria é um metal líquido de baixa densidade que prontamente doa elétrons. O eletrodo-o positivo camada inferior é um metal líquido de alta densidade que está feliz em aceitar esses elétrons. E o electrólito de meia-a-camada é um sal fundido que transfere as partículas carregadas, mas não se mistura com os materiais acima ou abaixo. Devido às diferenças de densidade e a imiscibilidade dos três materiais, que, naturalmente, estabelecer-se em três camadas distintas e permanecem separados como a bateria opera.
Benefícios de líquido vai
Esta nova abordagem oferece uma série de benefícios. Uma vez que os componentes são líquidos, a transferência de cargas eléctricas e constituintes químicos, dentro de cada componente e de uma para outra é ultra-rápida, permitindo um fluxo rápido de grandes correntes para dentro e para fora da bateria. Quando a bateria descarrega, a camada superior do metal fundido fica mais fino e inferior fica mais grossa. Quando ele cobra, as espessuras reverter. Não há esforços envolvidos, observa Sadoway. "Todo o sistema é muito flexível e apenas toma a forma do recipiente." Enquanto eléctrodos sólidos são propensos ao rachamento e outras formas de falha mecânica ao longo do tempo, os eléctrodos de líquidos não se degradam com o uso.
De facto, cada vez que a bateria é carregada, os iões a partir do topo de metal que tenham sido depositadas na camada inferior são devolvidos para a camada superior, purificando o electrólito do processo. Todos os três componentes são reconstituídos. Além disso, porque os componentes naturalmente auto-segregar, não há necessidade de membranas ou separadores, que estão sujeitos ao desgaste. A bateria líquido deve realizar muitas cargas e descargas sem perder a capacidade ou a requerer manutenção ou serviço. E a natureza auto-segregação dos componentes líquidos pode facilitar mais simples, menos dispendioso de fabrico em comparação com as baterias convencionais.
A escolha de materiais
Para Sadoway e, em seguida,-graduando David Bradwell MEng '06, PhD '11, o desafio era escolher os melhores materiais para a nova bateria, particularmente para seus eletrodos. Existem métodos para prever como metais sólido irá se comportar sob condições definidas. Mas esses métodos "eram de nenhum valor para nós porque queríamos para modelar o estado líquido", diz Sadoway-e ninguém mais estava trabalhando nesta área. Então ele teve que desenhar sobre o que ele chama de "intuição informada," com base em sua experiência de trabalho em electrometalurgia e ensinando uma grande turma de calouros química.
Para manter os custos baixos, Sadoway e Bradwell precisava usar materiais de eletrodos que eram terra abundante, barato e de longa duração. Para conseguir alta tensão, eles tiveram que emparelhar um forte doador de elétrons com um forte receptor de elétrons. O eléctrodo superior (o doador de electrões) tinha de ser de baixa densidade, e o eléctrodo de fundo (o aceitador de electrões) de alta densidade. "Felizmente", diz Sadoway, "o caminho da tabela periódica é colocado para fora, a forte electropositive [doadores] metais são de baixa densidade, e as fortes electronegative [receptor] metais são de alta densidade" (veja a Figura 2 no slideshow acima). E, finalmente, todos os materiais tiveram que ser líquidos a temperaturas práticas.
À medida que a primeira combinação, Sadoway e Bradwell escolheu magnésio para o topo do eléctrodo, antimónio para a parte inferior do eléctrodo, e uma mistura de sal contendo cloreto de magnésio para o electrólito. Eles então construíram protótipos de seu celular e eles trabalharam. Os três componentes líquidos auto-segregados, ea bateria realizada como haviam previsto. Estimulado pelo seu sucesso, em 2010, eles, juntamente com Luis Ortiz SB '96, PhD '00, também um ex-membro do grupo de pesquisa de Sadoway, fundaram uma inicialmente o Liquid Metal Battery Corporation e mais tarde Ambri-de continuar a desenvolver e escala chamada empresa a nova tecnologia.
Não há ainda
Mas havia um problema. Para manter os componentes fundidos, a bateria teve que operar em 700 graus Celsius (1.292 graus Farenheit). Executando que quente consumido alguma da potência eléctrica da bateria e aumentou a taxa em que os componentes secundários, tais como a parede da célula, se corroer e degradar. Então Sadoway, Bradwell, e seus colegas do MIT continuou a busca de materiais ativos.
Os primeiros resultados de magnésio e antimónio a química celular tinha claramente demonstram a viabilidade do conceito de pilha de metal líquido; como resultado, o esforço de pesquisa no campus recebeu mais de US $ 11 milhões do total, incluindo financiadores e do Departamento de programa ARPA-E de Energia dos EUA. O influxo de dólares da pesquisa permitiu Sadoway a crescer a equipe de pesquisa no MIT para quase 20 alunos de pós-graduação e pós-graduação e pós-doutorados que estavam prontos para assumir o desafio.
Em poucos meses, a equipe começou a produzir novas opções de química com base em vários materiais com pontos de fusão mais baixos. Por exemplo, em lugar de o antimónio, que usado chumbo, estanho, bismuto, e ligas de metais semelhantes; e no lugar do de magnésio, que utilizado de sódio, lítio, ligas de magnésio e com metais como cálcio. Os pesquisadores logo perceberam que eles não estavam apenas procurando por uma nova bateria química. Em vez disso, eles tinham descoberto uma nova "plataforma" de bateria a partir do qual uma multidão de tecnologias de células potencialmente comercialmente viáveis com uma gama de atributos poderia gerar.
Novos produtos químicos celulares começou a mostrar reduções significativas na temperatura de operação. Células de sódio e bismuto operado a 560 graus Celsius. Células de lítio e de bismuto operado a 550 C e a uma bateria, com um eléctrodo negativo de lítio e um eléctrodo positivo de uma liga de chumbo-antimónio operado a 450 C.
Ao trabalhar com a última combinação, os pesquisadores tropeçou em um fenômeno eletroquímico inesperado: Eles descobriram que eles poderiam manter a tensão da célula alta de seu eletrodo de antimônio puro original com o novo antimónio chumbo versão, mesmo quando eles fizeram a composição tanto quanto 80 por cento de chumbo, a fim de baixar a temperatura de fusão por centenas de graus.
"Para nossa agradável surpresa, adicionando mais vantagem para o antimônio não diminuiu a tensão, e agora entendemos por que", diz Sadoway. "Quando o lítio entra em uma liga de antimónio e chumbo, o lítio preferencialmente reage com o antimônio, porque é um elo mais forte. Assim, quando o lítio [a partir do topo do eletrodo] entra no eletrodo inferior, ignora a liderança e vínculos com o antimônio. "
Esta conclusão inesperada lembrou-lhes o quão pouco foi conhecido neste novo campo de pesquisa e também sugeriu novos produtos químicos celulares para explorar. Por exemplo, eles recentemente montada uma célula de prova de conceito, utilizando um eléctrodo positivo de uma liga de chumbo-bismuto, um eléctrodo negativo de sódio metálico, e um novo electrólito de um hidróxido misto-halogeneto. A célula funcionou apenas em C-270 mais de 400 C mais baixa do que a bateria de magnésio-antimónio inicial enquanto se mantinha a mesma concepção nova célula de três camadas que separam naturalmente líquidos.
O papel das novas tecnologias
A plataforma da bateria de metal líquido oferece uma combinação incomum de características. Em geral, as baterias são caracterizados por quanta energia e quanto poder eles podem fornecer. (A energia é a quantidade total de trabalho que pode ser feito, o poder é a rapidez com que o trabalho é feito.) Em geral, as tecnologias fazer melhor em uma medida que o outro. Por exemplo, com condensadores, entrega rápida é barato, mas é caro armazenamento abundante. Com hidrelétrica bombeado, o oposto é verdadeiro.
Mas para o armazenamento de grade escala, ambos os recursos são importantes, ea bateria de metal líquido pode, potencialmente, fazer as duas coisas. Ele pode armazenar uma grande quantidade de energia (por exemplo, o suficiente para durar por meio de um corte de energia) e entregar essa energia rapidamente (por exemplo, para atender a demanda instantaneamente quando uma nuvem passa na frente do sol). Ao contrário da bateria de iões de lítio, ele deve ter uma longa vida útil; e ao contrário da bateria de chumbo-ácido, não vai ser prejudicado ao ser completamente descarregada. E enquanto parece agora mais caro do que energia hidroeléctrica bombeada, a bateria não tem nenhuma limitação em que ele pode ser usado. Com bombeado hídrica, a água é bombeada para cima para um reservatório e, em seguida, liberado através de uma turbina para gerar energia quando necessário. Instalações, portanto, requerem tanto uma encosta e uma fonte de água. A bateria de metal líquido pode ser instalado em qualquer lugar, essencialmente. Não há necessidade de uma colina ou água.
Trazê-lo para o mercado
Ambri já projetou e construiu uma fábrica para a bateria de metal líquido em Marlborough, Massachusetts. Como esperado, a fabricação é simples: Basta adicionar os metais de eléctrodos mais o sal eletrólito para um recipiente de aço e aquecer a lata para a temperatura de funcionamento especificada. Os materiais derreter em camadas líquido puro para formar os eletrodos e eletrólitos. O processo de fabricação de células foi desenvolvido e implementado e será submetido a melhoria contínua. O próximo passo será envolver automatizar os processos para agregar muitas células em uma bateria de grande formato, incluindo a electrónica de potência.
Ambri não foi público sobre qual o líquido química da bateria de metal que está comercializando, mas diz que ele tem vindo a trabalhar na mesma química para os últimos quatro anos. De acordo com Bradwell, cientistas e engenheiros Ambri ter construído mais de 2.500 células de bateria de metal líquido e alcançaram milhares de ciclos de carga-descarga com redução insignificante na quantidade de energia armazenada. Essas manifestações de confirmar Sadoway e Bradwell tese inicial de que uma bateria de todos os líquidos seriam preparados para alcançar um melhor desempenho do que as alternativas de estado sólido e seria capaz de operar por décadas.
Ambri investigadores estão agora a enfrentar um desafio de engenharia final: o desenvolvimento de uma low-cost, selo prático que vai parar ar vaze para cada célula individual, permitindo assim que os anos de funcionamento de alta temperatura. Uma vez que são desenvolvidos e testados os selos necessários, a produção de bateria começará. Os pesquisadores planejam entregar protótipos para testes de campo em vários locais, incluindo o Havaí, onde a luz do sol é abundante, mas a geração de energia ainda depende de queima caro combustível diesel. Um site é a base naval de Pearl Harbor em Oahu. "É perturbador que as nossas bases militares contam com a rede de energia civil", diz Sadoway. "Se essa grade vai para baixo, a base deve ligar geradores a diesel para preencher a lacuna. Assim, a base pode ser sem energia por cerca de 15 minutos, que é provavelmente tempo suficiente para alguns grandes danos a ser feito." A nova bateria poderia desempenhar um papel fundamental na prevenção de um tal resultado.
Enquanto isso, de volta ao laboratório, os pesquisadores do MIT estão continuando a explorar outras químicas para o núcleo da bateria líquido. Na verdade, Sadoway diz que sua equipe já desenvolveu um projeto alternativo que oferece temperaturas de funcionamento ainda mais baixos, mais energia armazenada, menor custo e um tempo de vida mais longo. Dada a falta generalizada de conhecimentos sobre as propriedades e usos potenciais de metais líquidos, Sadoway acredita que ainda pode haver grandes descobertas no campo. Os resultados de suas experiências "arrombou as portas para todo um conjunto de outras escolhas que fizemos", diz Sadoway. "Foi muito legal."
Fornecido por: Da phys 2016 ( STOP)
