محققان یک باتری اکسیژن پتاسیم کارآمدتر و مطمئن تری ساخته اند ، گامی به سوی یک راه حل بالقوه برای ذخیره انرژی در شبکه برق این کشور و باتری های ماندگار در تلفن های همراه و لپ تاپ ها.
در مطالعه‌ای که روز جمعه در مجله Batteries and Supercaps منتشر شد ، محققان دانشگاه ایالتی اوهایو یافتههای خود را با محوریت ساختن کاتد باتری که در آن انرژی تولید شده توسط یک واکنش شیمیایی در یک فلز-اکسیژن یا فلز با هوا ذخیره می شود ، شرح دادند. باتری محققان می گویند ، این یافته می تواند منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشیدی و باد را از طریق ذخیره ارزان تر و کارآمد تر انرژی ، گزینه های مناسبتری برای شبکه برق قرار دهد .
ویشنو گفت: "اگر می خواهید به یک گزینه تجدید پذیر برای شبکه قدرت بروید ، به دستگاههای ذخیره انرژی اقتصادی نیاز دارید که بتوانند انرژی اضافی را ذخیره کنند و هنگامی که منبع را آماده یا کار ندارید ، این نیرو را پس دهند." بابا Sundaresan ، نویسنده نویسنده و استاد مهندسی مکانیک پمپ وکیوم و هوافضا در ایالت اوهایو. "فناوری مانند این بسیار مهم است ، زیرا ارزان است ، از مواد عجیب و غریب استفاده نمی کند ، و می تواند در هر نقطه ساخته شود و اقتصاد محلی را ارتقا بخشد."
منابع انرژی تجدید پذیر دی اکسید کربن را منتشر نمی کنند ، بنابراین آنها در گرم شدن کره زمین کمک نمی کنند ، اما آنها فقط هنگامی که خورشید درخشان است و یا باد می بارد ، انرژی را تأمین می کنند. برای اینکه آنها بتوانند از منابع انرژی قابل اعتماد برای شبکه انرژی یک منطقه باشند ، باید راهی برای ذخیره انرژی اضافی جمع آوری شده از آفتاب و باد وجود داشته باشد.
شرکت ها ، دانشمندان و دولت ها در سراسر جهان در حال کار بر روی راه حل های ذخیره سازی هستند ، از باتری های لیتیوم یونی - نسخه های بزرگ در بسیاری از وسایل نقلیه برقی - گرفته تا باتری های غول پیکر و اندازه یک فروشگاه بزرگ جعبه که با استفاده از وانادیوم فلزی ساخته شده است.
باتری های اکسیژن پتاسیم از زمان اختراع در سال 2013 جایگزین بالقوه ای برای ذخیره انرژی به حساب می آیند. تیمی از محققان ایالت اوهایو به رهبری استاد شیمی ییینگ وو نشان دادند که باتری ها می توانند ضمن ذخیره همزمان همزمان ، باتری های لیتیوم اکسیژن کارآمدتر باشند. حدود دو برابر انرژی باتری های لیتیوم یونی موجود است. اما باتری های اکسیژن پتاسیم به طور گسترده ای برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار نگرفته اند ، زیرا ، تاکنون نتوانسته اند بار کافی را برای شارژ مناسب شارژ کنند.
در حالی که تیم ها سعی کردند باتری اکسیژن پتاسیمی را ایجاد کنند که می تواند یک راه حل مناسب برای ذخیره سازی باشد ، آنها همچنان به یک مانع در حال عبور بودند: باتری با هر بار شارژ تخریب می شود ، هرگز بیش از پنج یا 10 چرخه شارژ دوام نمی آورد - به اندازه کافی برای ایجاد باتری راه حل مقرون به صرفه برای ذخیره انرژی. این تخریب اتفاق افتاد زیرا اکسیژن درون آند باتری ریخته شد - مکانی که به الکترون ها اجازه می دهد تا یک وسیله را شارژ کنند ، چه تلفن همراه و چه شبکه برق. اکسیژن باعث تجزیه آند شد و باعث شد تا باتری دیگر نتواند شارژ خود را تأمین کند.
پل گیلمور ، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه ساندرسان ، شروع به ترکیب پلیمرها در کاتد کرد تا ببیند آیا می تواند از آند اکسیژن محافظت کند یا خیر. اگر او می تواند راهی برای انجام این کار پیدا کند ، فکر می کرد که این امر باعث می شود باتری های اکسیژن پتاسیم در طول عمر بیشتری شلیک کنند. معلوم شد که او درست است: این تیم فهمید که تورم در پلیمر نقش اساسی در عملکرد آن دارد. گیلمور گفت ، این کلید راهی را برای ورود اکسیژن به باتری - لازم برای کارکردن آن - بدون اجازه ورود اکسیژن به درون آند ، پیدا کرد.
این طرح کمی شبیه به ریه های انسان عمل می کند: هوا از طریق یک لایه کربنی فیبری به باتری وارد می شود ، سپس با یک لایه دوم که کمی متخلخل است ملاقات می کند و سرانجام به یک لایه سوم ختم می شود که به سختی متخلخل است. این لایه سوم ، ساخته شده از پلیمر رسانا ، به یون های پتاسیم امکان عبور در سراسر کاتد را می دهد ، اما اکسیژن مولکولی را از رسیدن به آند محدود می کند. طراحی به این معنی است که می توان باتری را حداقل 125 بار شارژ کرد - به باتری های اکسیژن پتاسیم بیش از 12 برابر دوام آنها در گذشته با الکترولیت های کم هزینه.
این یافته ها نشان می دهد که این امکان پذیر است ، اما آزمایشات تیم ثابت نکرده است که می توان باتری ها را در مقیاس لازم برای ذخیره شبکه برق تهیه کرد . با این حال ، این پتانسیل را نشان می دهد.
گیلمور گفت ممکن است باتری های اکسیژن پتاسیم در سایر کاربردها نیز مفید باشد.
وی گفت: "باتری های اکسیژن چگالی انرژی بالاتری دارند ، به این معنی که آنها می توانند دامنه وسایل نقلیه الکتریکی و عمر باتری وسایل الکترونیکی قابل حمل را بهبود ببخشند ، به عنوان مثال ، اگرچه سایر چالش ها قبل از اینکه باتری های اکسیژن پتاسیم برای این کاربردها قابل استفاده باشد باید بر طرف شوند."
و این یافته جایگزینی برای باتری های لیتیوم یونی و سایر مواردی است که به کبالت متکی هستند ، ماده ای که به آن "الماس خون باتری ها" گفته می شود. استخراج مواد به قدری نگران کننده است که شرکت های بزرگ از جمله TESLA برنامه های خود را برای از بین بردن کامل آن از باتری ها اعلام کرده اند.
Sundaresan گفت: "این بسیار مهم است که باتری های در نظر گرفته شده برای برنامه های در مقیاس بزرگ از کبالت استفاده نکنند."
و همچنین مهم است که می توان باتری را ارزان ساخت. باتری های لیتیوم اکسیژن - یک راه حل ذخیره انرژی که به طور گسترده یکی از مناسب ترین گزینه ها محسوب می شود - می تواند گران باشد و بسیاری از آنها به منابع کمیاب از جمله کبالت متکی هستند. باتری های لیتیوم یونی که بسیاری از اتومبیل های برقی را تغذیه می کنند ، در سطح مواد حدود 100 دلار در هر کیلووات ساعت دارند.
محققان تخمین زدند که این باتری اکسیژن پتاسیم در هر کیلووات ساعت حدود 44 دلار هزینه خواهد داشت.
Sundaresan گفت: "وقتی باتری ها صحبت می شوند ، یک اندازه برای همه مناسب نیست." وی گفت: "برای باتری های اکسیژن پتاسیم و لیتیوم اکسیژن ، استفاده از آنها به عنوان پشتیبان برق شبکه گران است. اما اکنون که نشان داده ایم می توانیم باتری را ارزان و این پایدار کنیم ، این باعث می شود که با سایر محصولات رقابت کنیم. فن آوری برای شبکه قدرت پشتیبان.
وی گفت: "اگر یک باتری کوچک دارید که ارزان است ، می توانید در مورد بزرگ کردن آن صحبت کنید. اگر یک باتری کوچک کوچک دارید که 1000 دلار پاپ است ، مقیاس آن بالا می رود ، فقط امکان پذیر نیست. این باعث می شود که درب مقیاس آن بالا برود. "
محققان یک باتری اکسیژن پتاسیم کارآمدتر و مطمئن تری ساخته اند ، گامی به سوی یک راه حل بالقوه برای ذخیره انرژی در شبکه برق این کشور و باتری های ماندگار در تلفن های همراه و لپ تاپ ها.
در مطالعه‌ای که روز جمعه در مجله Batteries and Supercaps منتشر شد ، محققان دانشگاه ایالتی اوهایو یافتههای خود را با محوریت ساختن کاتد باتری که در آن انرژی تولید شده توسط یک واکنش شیمیایی در یک فلز-اکسیژن یا فلز با هوا ذخیره می شود ، شرح دادند. باتری محققان می گویند ، این یافته می تواند منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشیدی و باد را از طریق ذخیره ارزان تر و کارآمد تر انرژی ، گزینه های مناسبتری برای شبکه برق قرار دهد .
ویشنو گفت: "اگر می خواهید به یک گزینه تجدید پذیر برای شبکه قدرت بروید ، به دستگاههای ذخیره انرژی اقتصادی نیاز دارید که بتوانند انرژی اضافی را ذخیره کنند و هنگامی که منبع را آماده یا کار ندارید ، این نیرو را پس دهند." بابا Sundaresan ، نویسنده نویسنده و استاد مهندسی مکانیک پمپ وکیوم و هوافضا در ایالت اوهایو. "فناوری مانند این بسیار مهم است ، زیرا ارزان است ، از مواد عجیب و غریب استفاده نمی کند ، و می تواند در هر نقطه ساخته شود و اقتصاد محلی را ارتقا بخشد."
منابع انرژی تجدید پذیر دی اکسید کربن را منتشر نمی کنند ، بنابراین آنها در گرم شدن کره زمین کمک نمی کنند ، اما آنها فقط هنگامی که خورشید درخشان است و یا باد می بارد ، انرژی را تأمین می کنند. برای اینکه آنها بتوانند از منابع انرژی قابل اعتماد برای شبکه انرژی یک منطقه باشند ، باید راهی برای ذخیره انرژی اضافی جمع آوری شده از آفتاب و باد وجود داشته باشد.
شرکت ها ، دانشمندان و دولت ها در سراسر جهان در حال کار بر روی راه حل های ذخیره سازی هستند ، از باتری های لیتیوم یونی - نسخه های بزرگ در بسیاری از وسایل نقلیه برقی - گرفته تا باتری های غول پیکر و اندازه یک فروشگاه بزرگ جعبه که با استفاده از وانادیوم فلزی ساخته شده است.
باتری های اکسیژن پتاسیم از زمان اختراع در سال 2013 جایگزین بالقوه ای برای ذخیره انرژی به حساب می آیند. تیمی از محققان ایالت اوهایو به رهبری استاد شیمی ییینگ وو نشان دادند که باتری ها می توانند ضمن ذخیره همزمان همزمان ، باتری های لیتیوم اکسیژن کارآمدتر باشند. حدود دو برابر انرژی باتری های لیتیوم یونی موجود است. اما باتری های اکسیژن پتاسیم به طور گسترده ای برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار نگرفته اند ، زیرا ، تاکنون نتوانسته اند بار کافی را برای شارژ مناسب شارژ کنند.
در حالی که تیم ها سعی کردند باتری اکسیژن پتاسیمی را ایجاد کنند که می تواند یک راه حل مناسب برای ذخیره سازی باشد ، آنها همچنان به یک مانع در حال عبور بودند: باتری با هر بار شارژ تخریب می شود ، هرگز بیش از پنج یا 10 چرخه شارژ دوام نمی آورد - به اندازه کافی برای ایجاد باتری راه حل مقرون به صرفه برای ذخیره انرژی. این تخریب اتفاق افتاد زیرا اکسیژن درون آند باتری ریخته شد - مکانی که به الکترون ها اجازه می دهد تا یک وسیله را شارژ کنند ، چه تلفن همراه و چه شبکه برق. اکسیژن باعث تجزیه آند شد و باعث شد تا باتری دیگر نتواند شارژ خود را تأمین کند.
پل گیلمور ، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه ساندرسان ، شروع به ترکیب پلیمرها در کاتد کرد تا ببیند آیا می تواند از آند اکسیژن محافظت کند یا خیر. اگر او می تواند راهی برای انجام این کار پیدا کند ، فکر می کرد که این امر باعث می شود باتری های اکسیژن پتاسیم در طول عمر بیشتری شلیک کنند. معلوم شد که او درست است: این تیم فهمید که تورم در پلیمر نقش اساسی در عملکرد آن دارد. گیلمور گفت ، این کلید راهی را برای ورود اکسیژن به باتری - لازم برای کارکردن آن - بدون اجازه ورود اکسیژن به درون آند ، پیدا کرد.
این طرح کمی شبیه به ریه های انسان عمل می کند: هوا از طریق یک لایه کربنی فیبری به باتری وارد می شود ، سپس با یک لایه دوم که کمی متخلخل است ملاقات می کند و سرانجام به یک لایه سوم ختم می شود که به سختی متخلخل است. این لایه سوم ، ساخته شده از پلیمر رسانا ، به یون های پتاسیم امکان عبور در سراسر کاتد را می دهد ، اما اکسیژن مولکولی را از رسیدن به آند محدود می کند. طراحی به این معنی است که می توان باتری را حداقل 125 بار شارژ کرد - به باتری های اکسیژن پتاسیم بیش از 12 برابر دوام آنها در گذشته با الکترولیت های کم هزینه.
این یافته ها نشان می دهد که این امکان پذیر است ، اما آزمایشات تیم ثابت نکرده است که می توان باتری ها را در مقیاس لازم برای ذخیره شبکه برق تهیه کرد . با این حال ، این پتانسیل را نشان می دهد.
گیلمور گفت ممکن است باتری های اکسیژن پتاسیم در سایر کاربردها نیز مفید باشد.
وی گفت: "باتری های اکسیژن چگالی انرژی بالاتری دارند ، به این معنی که آنها می توانند دامنه وسایل نقلیه الکتریکی و عمر باتری وسایل الکترونیکی قابل حمل را بهبود ببخشند ، به عنوان مثال ، اگرچه سایر چالش ها قبل از اینکه باتری های اکسیژن پتاسیم برای این کاربردها قابل استفاده باشد باید بر طرف شوند."
و این یافته جایگزینی برای باتری های لیتیوم یونی و سایر مواردی است که به کبالت متکی هستند ، ماده ای که به آن "الماس خون باتری ها" گفته می شود. استخراج مواد به قدری نگران کننده است که شرکت های بزرگ از جمله TESLA برنامه های خود را برای از بین بردن کامل آن از باتری ها اعلام کرده اند.
Sundaresan گفت: "این بسیار مهم است که باتری های در نظر گرفته شده برای برنامه های در مقیاس بزرگ از کبالت استفاده نکنند."
و همچنین مهم است که می توان باتری را ارزان ساخت. باتری های لیتیوم اکسیژن - یک راه حل ذخیره انرژی که به طور گسترده یکی از مناسب ترین گزینه ها محسوب می شود - می تواند گران باشد و بسیاری از آنها به منابع کمیاب از جمله کبالت متکی هستند. باتری های لیتیوم یونی که بسیاری از اتومبیل های برقی را تغذیه می کنند ، در سطح مواد حدود 100 دلار در هر کیلووات ساعت دارند.
محققان تخمین زدند که این باتری اکسیژن پتاسیم در هر کیلووات ساعت حدود 44 دلار هزینه خواهد داشت.
Sundaresan گفت: "وقتی باتری ها صحبت می شوند ، یک اندازه برای همه مناسب نیست." وی گفت: "برای باتری های اکسیژن پتاسیم و لیتیوم اکسیژن ، استفاده از آنها به عنوان پشتیبان برق شبکه گران است. اما اکنون که نشان داده ایم می توانیم باتری را ارزان و این پایدار کنیم ، این باعث می شود که با سایر محصولات رقابت کنیم. فن آوری برای شبکه قدرت پشتیبان.
وی گفت: "اگر یک باتری کوچک دارید که ارزان است ، می توانید در مورد بزرگ کردن آن صحبت کنید. اگر یک باتری کوچک کوچک دارید که 1000 دلار پاپ است ، مقیاس آن بالا می رود ، فقط امکان پذیر نیست. این باعث می شود که درب مقیاس آن بالا برود. "
استفاده از هوش مصنوعی برای مهندسی خواص مواد