Coole Eroberung: Wässrige Batterien werden mit Sonnenenergie aufgewärmt
Verbesserung der Energieeffizienz von Energiespeichern und Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen
wässrige Batterien haben sich aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit als vielversprechende Option für die Energiespeicherung in großem Maßstab erwiesen. Ihre Anwendung in kalten Klimazonen wurde jedoch durch Leistungsprobleme bei Minusgraden behindert, wo das Einfrieren des Elektrolyts und der reduzierte Ionentransfer das System verlangsamen. Herkömmliche Lösungen wie eine externe Heizung sind energieintensiv und ineffizient, weshalb Forscher nach neuen Strategien suchen, die die Leistung von wässrigen Batterien bei niedrigen Temperaturen verbessern können, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen oder die Komplexität zu erhöhen.
Die Abbildung zeigt ein photothermisches wässriges Batteriesystem, das für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ausgelegt ist. Das Sonnenlicht wird von einem Sonnenkollektor eingefangen und durch eine Lichtblende geleitet, um die Batterie zu erwärmen und ihre Innentemperatur schnell von -20℃ auf +23℃ zu erhöhen. Das System verfügt außerdem über einen Licht-/Temperaturregler, der für einen stabilen Betrieb sorgt und eine effiziente Leistung auch bei Minusgraden gewährleistet.
Energy Materials and Devices, Tsinghua University Press
Forscher der University of New South Wales und der Shenzhen University of Advanced Technology haben eine wässrige Batterie entwickelt, die auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt effizient arbeitet. Die Studie, die am 25. September 2024 in der Zeitschrift Energy Materials and Devices veröffentlicht wurde, zeigt, wie photothermische Stromkollektoren und Suspensionselektroden die Batterie in die Lage versetzen, ihre eigene Wärme zu erzeugen und eine stabile Leistung in kalten Klimazonen aufrechtzuerhalten. Das System nutzt auf Ketjenschwarz basierende Materialien, um Sonnenlicht in Wärmeenergie umzuwandeln, und bietet damit eine praktische Lösung für die Energiespeicherung in polaren und kalten Regionen.
Die Kerninnovation dieser Studie ist die Integration photothermischer Materialien in die Stromkollektoren der Batterie, wodurch diese sich selbst erwärmen und bei niedrigen Temperaturen effektiv arbeiten kann. Die schwarzen Ketjen-Kollektoren absorbieren das Sonnenlicht über ein breites Spektrum (98 % Wirkungsgrad von 200 bis 2500 nm) und erzeugen schnell Wärme, die die Kerntemperatur der Batterie in nur 22 Minuten von -18 °C auf 20 °C anhebt. Die Wärme wird dann durch Suspensions-Elektroden mit hoher Wärmeleitfähigkeit gleichmäßig verteilt. Um die Stabilität zu erhöhen, umfasst das System einen Lichtkonzentrator und einen Temperaturkontrollmechanismus, so dass die Batterie während der Lade-/Entladezyklen eine Kerntemperatur von 20 °C beibehalten kann, selbst wenn die Außentemperaturen zwischen -5 °C und 5 °C schwanken. Mit dieser Technologie werden die elektrochemischen Beschränkungen, mit denen wässrige Batterien in kalten Regionen konfrontiert sind, wirksam überwunden und eine praktikable Lösung für die Energiespeicherung in großem Maßstab angeboten.
Die Arbeit ist ein gemeinsamer Erfolg der University of New South Wales (UNSW) und der Shenzhen University of Advanced Technology (SUAT). Der leitende Forscher, Dr. Dawei Wang, ein ehemaliger Forscher der UNSW, wird die intellektuellen Ressourcen und Technologieplattformen von SUAT und UNSW zusammenführen, um die Technologieumsetzung zu ermöglichen. Er bemerkte dazu: "Wir sind bestrebt, das innovative Design von Netto-Nullenergie-Technologien voranzutreiben. In diesem speziellen Beispiel haben wir das Konzept skizziert und das System für die solarbetriebene Beheizung eines komplexen Batteriegeräts hergestellt. Wir gehen davon aus, dass die Umsetzung dieser Lösung der aufkommenden industriellen Nachfrage nach Batterien mit einem großen Temperaturbereich gerecht wird."
Dieser Fortschritt in der Batterietechnologie verspricht eine Ausweitung des Einsatzes wässriger Batterien bei der Energiespeicherung im Netzbereich, insbesondere in kalten Regionen. Durch die verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen könnten diese Batterien in Polargebieten eingesetzt werden und eine kostengünstige und nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen darstellen. Die Einbeziehung der photothermischen Technologie öffnet die Tür für weitere Innovationen bei den Selbsterwärmungsmechanismen von Batterien und erhöht die Energieeffizienz in einer Reihe von Anwendungen, von der Speicherung erneuerbarer Energien bis hin zu Elektrofahrzeugen, die in kalten Klimazonen betrieben werden.
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