Neue Batterietechnologie könnte die Speicherung erneuerbarer Energien fördern
Materialwissenschaftler entwickeln neuen leistungsstarken Batterie-"Brennstoff" - ein Elektrolyt, der nicht nur länger hält, sondern auch billiger herzustellen ist
Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie sind für die Erhaltung unseres Planeten von entscheidender Bedeutung, aber sie bringen eine große Herausforderung mit sich: Sie erzeugen nicht immer dann Strom, wenn er gebraucht wird. Um sie optimal zu nutzen, brauchen wir effiziente und erschwingliche Möglichkeiten, die von ihnen erzeugte Energie zu speichern, damit wir auch dann Strom haben, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint.
Materialwissenschaftler von Columbia Engineering haben sich auf die Entwicklung neuartiger Batterien konzentriert, um die Art und Weise, wie wir erneuerbare Energie speichern, zu verändern. In einer neuen Studie, die am 5. September in Nature Communications veröffentlicht wurde , verwendet das Team K-Na/S-Batterien, die kostengünstige, leicht zu findende Elemente - Kalium (K) und Natrium (Na) - mit Schwefel (S) kombinieren, um eine kostengünstige, hochenergetische Lösung für die Langzeitspeicherung von Energie zu schaffen.
"Es ist wichtig, dass wir in der Lage sind, die Betriebsdauer dieser Batterien zu verlängern, und dass wir sie einfach und kostengünstig herstellen können", sagte der Leiter des Teams, Yuan Yang, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Technik in der Abteilung für angewandte Physik und Mathematik an der Columbia Engineering. "Erneuerbare Energien zuverlässiger zu machen, wird dazu beitragen, unsere Stromnetze zu stabilisieren, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und eine nachhaltigere Energiezukunft für uns alle zu unterstützen."
Neuer Elektrolyt hilft K-Na/S-Batterien, Energie effizienter zu speichern und abzugeben
Bei K-Na/S-Batterien gibt es zwei große Herausforderungen: Sie haben eine geringe Kapazität, weil die Bildung von inaktivem festem K2S2 und K2S den Diffusionsprozess blockiert, und ihr Betrieb erfordert sehr hohe Temperaturen (>250 oC), die ein komplexes Wärmemanagement erfordern, was die Kosten des Prozesses erhöht. Frühere Studien hatten mit festen Ausscheidungen und geringer Kapazität zu kämpfen, und es wurde nach einer neuen Technik zur Verbesserung dieser Art von Batterien gesucht.
Yangs Gruppe entwickelte einen neuen Elektrolyten, ein Lösungsmittel aus Acetamid und ε-Caprolactam, das der Batterie hilft, Energie zu speichern und abzugeben. Dieser Elektrolyt kann K2S2 und K2S auflösen und so die Energie- und Leistungsdichte von K/S-Batterien für mittlere Temperaturen erhöhen. Außerdem kann die Batterie bei einer viel niedrigeren Temperatur (ca. 75 °C) betrieben werden als frühere Konstruktionen, während sie dennoch fast die maximal mögliche Energiespeicherkapazität erreicht.
"Unser Ansatz erreicht nahezu theoretische Entladekapazitäten und eine verlängerte Zyklenlebensdauer. Das ist sehr aufregend auf dem Gebiet der K/S-Batterien für mittlere Temperaturen", sagte der Erstautor der Studie, Zhenghao Yang, ein Doktorand bei Yang.
Der Weg in eine nachhaltige Energiezukunft
Yangs Gruppe ist dem Columbia Electrochemical Energy Center (CEEC) angegliedert, das einen multiskaligen Ansatz verfolgt, um bahnbrechende Technologien zu entdecken und ihre Vermarktung zu beschleunigen. Das CEEC vereint Lehrkräfte und Forscher aus der gesamten School of Engineering and Applied Science, die sich mit elektrochemischer Energie beschäftigen und deren Interessen von Elektronen über Geräte bis hin zu Systemen reichen. Seine Industriepartnerschaften ermöglichen die Realisierung von Durchbrüchen in der elektrochemischen Energiespeicherung und -umwandlung.
Planung der Vergrößerung
Das Team konzentriert sich derzeit auf kleine, münzgroße Batterien, will diese Technologie aber später auf die Speicherung großer Energiemengen ausweiten. Wenn sie erfolgreich sind, könnten diese neuen Batterien eine stabile und zuverlässige Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen bieten, auch in Zeiten mit wenig Sonne oder Wind. Das Team arbeitet nun an der Optimierung der Elektrolytzusammensetzung.
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Originalveröffentlichung
Liying Tian, Zhenghao Yang, Shiyi Yuan, Tye Milazzo, Qian Cheng, Syed Rasool, Wenrui Lei, Wenbo Li, Yucheng Yang, Tianwei Jin, Shengyu Cong, Joseph Francis Wild, Yonghua Du, Tengfei Luo, Donghui Long, Yuan Yang; "Designing electrolytes with high solubility of sulfides/disulfides for high-energy-density and low-cost K-Na/S batteries"; Nature Communications, Volume 15, 2024-9-5
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