Μια ιαπωνικο-κινεζική ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια μπαταρία τιτανίου με τηγμένο άλας οξειδοαναγωγής-ροής (TMSRB) που χρησιμοποιεί ιόντα τιτανίου ως οξειδοαναγωγικό ενεργό υλικό και τηγμένο άλας ως ηλεκτρολύτη.
Τα στοιχεία της μπαταρίας
Προοριζόμενη για χρήση σε αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου, η TMSRB έχει σχεδιαστεί για να παρέχει υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος φόρτισης-εκφόρτισης σε σύγκριση με τα συμβατικά σχέδια μπαταριών βαναδίου οξειδοαναγωγής-ροής (VRFB).
Οι επιστήμονες εξήγησαν ότι, σε σύγκριση με το βανάδιο, το τιτάνιο είναι ένα πολύ πιο άφθονο στοιχείο, αντιμετωπίζοντας τους περιορισμούς προσφοράς και κόστους. «Το τιτάνιο είναι το έβδομο πιο άφθονο μέταλλο στον φλοιό της γης, με αφθονία στοιχείων φλοιού 0,56%, 35 φορές μεγαλύτερη από αυτή του βαναδίου. Έτσι, δεν υπάρχει ανησυχία για τη βιώσιμη προσφορά οξειδοαναγωγικών ενεργών υλικών στην TMSRB», τόνισαν.
Η λειτουργία του συστήματος
Το σύστημα λειτουργεί χρησιμοποιώντας ιόντα τιτανίου σε πολλαπλές καταστάσεις οξείδωσης, με το οξειδοαναγωγικό ζεύγος Ti⁴⁺/Ti³⁺ στην κάθοδο και το οξειδοαναγωγικό ζεύγος Ti³⁺/Ti²⁺ στην άνοδο, επιτρέποντας αναστρέψιμες οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Χρησιμοποιεί επίσης τηγμένους ηλεκτρολύτες αλάτων, όπως χλωριούχο λίθιο-χλωριούχο κάλιο (LiCl-KCl) και χλωριούχο νάτριο-χλωριούχο μαγνήσιο-χλωριούχο κάλιο (NaCl-MgCl₂-KCl), οι οποίοι, σύμφωνα με τους επιστήμονες, προσφέρουν ένα ευρύ παράθυρο ηλεκτροχημικής σταθερότητας και υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, ενώ παράλληλα υποστηρίζουν αποτελεσματική λειτουργία υψηλής τάσης, γρήγορους ρυθμούς φόρτισης-εκφόρτισης και σταθερό κύκλο σε θερμοκρασίες μεταξύ 300-450C.
Η μπαταρία χρησιμοποιεί επίσης ένα πορώδες χωνευτήριο οξειδίου του αργιλίου (Al₂O₃) ως διαχωριστή, μαζί με ηλεκτρόδια άνθρακα και γραφίτη που συνδέονται με αγωγούς νικελίου. Το τετραχλωριούχο τιτάνιο (TiCl₄) εισάγεται προσεκτικά στο σύστημα και η εξάτμισή του ελέγχεται χρησιμοποιώντας πρόσθετα φθοριούχου λιθίου (LiF).
Η μπαταρία
Η μπαταρία συναρμολογήθηκε με τον διαχωριστή τοποθετημένο μεταξύ του θετικού και του αρνητικού διαμερίσματος. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελούνταν από ένα πολυστρωματικό πλέγμα άνθρακα συνδεδεμένο με μια ράβδο γραφίτη ως συλλέκτη ρεύματος και μια ράβδο νικελίου ως αγωγό. Μια παρόμοια διαμόρφωση, που περιλαμβάνει έναν κοίλο κύλινδρο άνθρακα, χρησιμοποιήθηκε στην αντίθετη πλευρά. Οι ηλεκτρολύτες τηγμένου αλατιού που περιείχαν ιόντα τιτανίου προστέθηκαν στο στοιχείο και εισήχθη LiF στη θετική πλευρά για να καταστείλει την εξάτμιση του TiCl₄.
Η πλήρως συναρμολογημένη μπαταρία λειτούργησε στη συνέχεια υπό ατμόσφαιρα αργού (Ar) σε φούρνο αντίστασης για να αξιολογηθεί η οξειδοαναγωγική συμπεριφορά και η σταθερότητα του κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής ab initio (AIMD) για την παρακολούθηση της κατανομής των ιόντων κατά τη λειτουργία.
Η ανάλυση κατέδειξε την καταλληλότητα των πολυσθενών ιόντων τιτανίου ως οξειδοαναγωγικά ενεργά υλικά για μπαταρίες υψηλής απόδοσης. Η κυκλική και τετραγωνική βολταμετρία σε τηγμένο LiCl-KCl στους 400°C αποκάλυψε σαφείς και αναστρέψιμες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής Ti²⁺/Ti³⁺ και Ti³⁺/Ti⁴⁺, οι οποίες, σύμφωνα με τους επιστήμονες, θα μπορούσαν να παρέχουν υψηλή θεωρητική τάση στοιχείου περίπου 1,55 V, επεκτάσιμη στα 1,80 V όταν συμπεριλαμβάνονται Ti/Ti²⁺. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι πολλαπλές σταθερές καταστάσεις οξείδωσης και διακριτές μεταβάσεις οξειδοαναγωγής ενισχύουν περαιτέρω την ευελιξία και τη σταθερότητα του συστήματος.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η σύνθεση του τηγμένου άλατος μπορεί να ρυθμιστεί για τη βελτιστοποίηση του κόστους, του εύρους θερμοκρασίας και της ηλεκτροχημικής απόδοσης. Πειράματα σε διαφορετικούς ηλεκτρολύτες επιβεβαίωσαν σταθερή οξειδοαναγωγική δραστηριότητα και υψηλή τάση σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
Τα πλεονεκτήματα
Επιπλέον, πειραματικές δοκιμές κατέδειξαν υψηλή κουλομπική απόδοση άνω του 97% και «σταθερό» κύκλο ακόμη και σε υψηλούς ρυθμούς φόρτισης-εκφόρτισης. Η απόδοση παραμένει ισχυρή σε διάφορα συστήματα τηγμένου άλατος, υπογραμμίζοντας την ανθεκτικότητα και την προσαρμοστικότητα.
«Συνοψίζοντας, το αναπτυγμένο TMSRB έχει μεγάλα πλεονεκτήματα, κυρίως υψηλότερες τάσεις λειτουργίας, εξαιρετικά υψηλή κουλομπική απόδοση, ικανότητα ταχείας φόρτισης-εκφόρτισης και άφθονες, χαμηλού κόστους πρώτες ύλες», τόνισαν οι ακαδημαϊκοί. «Περαιτέρω βελτιστοποίηση της μηχανικής - όπως προηγμένα σχέδια στοίβας κυψελών, βελτιωμένες στρατηγικές θερμικής διαχείρισης και πιο λεπτομερείς αξιολογήσεις μετρήσεων απόδοσης σε επίπεδο συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της απόδοσης τάσης, της ενεργειακής απόδοσης, της χωρητικότητας της δεξαμενής ηλεκτρολυτών και της πρακτικής ογκομετρικής ενεργειακής πυκνότητας, βρίσκεται σε εξέλιξη».
Το σύστημα VRFB παρουσιάστηκε στο «Μια μπαταρία υψηλής απόδοσης οξειδοαναγωγικής ροής για αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου», που δημοσιεύτηκε στο Electrochemistry Communications. Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε ακαδημαϊκούς από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο Τοχόκου στην Ιαπωνία.
www.worldenergynews.gr
