البطاريات المتدفقة: من فضلك صب الإلكترونات لي!
يقوم علماء من معهد فراونهوفر في ألمانيا بأعمال تطوير جادة في مجال البطاريات الكهربائية ، كبديل للبطاريات الكلاسيكية. مع تقنية تدفق الأكسدة والاختزال ، تختلف عملية تخزين الكهرباء اختلافًا جذريًا ...
يتم سكب البطاريات ، المشحونة بالسائل كوقود ، في سيارة بمحرك بنزين أو ديزل. قد يبدو الأمر خياليًا ، لكن بالنسبة إلى Jens Noack من معهد فراونهوفر في بفينزتال بألمانيا ، هذه في الواقع هي الحياة اليومية. منذ عام 2007 ، قام فريق التطوير الذي يشارك فيه بتطوير هذا الشكل الغريب من البطاريات القابلة لإعادة الشحن على قدم وساق. في الواقع ، فإن فكرة التدفق من خلال أو ما يسمى بطارية الأكسدة والاختزال المتدفقة ليست صعبة ، وتعود براءة الاختراع الأولى في هذا المجال إلى عام 1949. كل من الفراغين الخلويين ، مفصولة بغشاء (على غرار خلايا الوقود) ، متصل بخزان يحتوي على إلكتروليت محدد. بسبب ميل المواد للتفاعل الكيميائي مع بعضها البعض ، تنتقل البروتونات من إلكتروليت إلى آخر عبر الغشاء ، ويتم توجيه الإلكترونات من خلال مستهلك حالي متصل بالجزئين ، ونتيجة لذلك يتدفق تيار كهربائي. بعد فترة زمنية معينة ، يتم تجفيف خزانين وتعبئتهما بالكهرباء الجديدة ، ويتم "إعادة تدوير" الخزان المستخدم في محطات الشحن.
في حين أن كل هذا يبدو رائعًا ، إلا أنه للأسف لا تزال هناك العديد من العقبات التي تحول دون الاستخدام العملي لهذا النوع من البطاريات في السيارات. تبلغ كثافة الطاقة لبطارية الأكسدة والاختزال بالكهرباء من الفاناديوم 30 واط / ساعة فقط لكل كيلوغرام ، وهو ما يعادل تقريبًا بطارية الرصاص الحمضية. لتخزين نفس القدر من الطاقة مثل بطارية ليثيوم أيون حديثة بقدرة 16 كيلو وات في الساعة ، بالمستوى الحالي لتقنية الأكسدة والاختزال ، ستتطلب البطارية 500 لتر من الإلكتروليت. بالإضافة إلى جميع الأجهزة الطرفية ، بالطبع ، حجمها كبير أيضًا إلى حد ما - قفص ضروري لتوفير طاقة كيلو واط واحد ، مثل صندوق البيرة.
هذه المعلمات ليست مناسبة للسيارات ، بالنظر إلى أن بطارية الليثيوم أيون تخزن أربعة أضعاف الطاقة لكل كيلوغرام. ومع ذلك ، فإن Jens Noack متفائل ، لأن التطورات في هذا المجال قد بدأت للتو والآفاق واعدة. في المختبر ، تحقق ما يسمى ببطاريات بروميد الفاناديوم polysulfide كثافة طاقة تبلغ 70 واط في الساعة لكل كيلوغرام وقابلة للمقارنة في الحجم مع بطاريات هيدريد معدن النيكل المستخدمة حاليًا في تويوتا بريوس.
هذا يقلل الحجم المطلوب من الخزانات إلى النصف. بفضل نظام الشحن البسيط وغير المكلف نسبيًا (تضخ مضختان إلكتروليت جديدًا ، واثنتان من الإلكتروليت المستخدم) ، يمكن شحن النظام في غضون عشر دقائق لتوفير مدى يصل إلى 100 كيلومتر. حتى أنظمة الشحن السريع مثل تلك المستخدمة في Tesla Roadster تدوم ست مرات أطول.
في هذه الحالة ، ليس من المستغرب أن تتحول العديد من شركات السيارات إلى أبحاث المعهد ، وخصصت ولاية بادن فورتمبيرغ 1,5 مليون يورو للتطوير. ومع ذلك ، سيستغرق الوصول إلى مرحلة تكنولوجيا السيارات بعض الوقت. "يمكن أن يعمل هذا النوع من البطاريات بشكل جيد جدًا مع أنظمة الطاقة الثابتة ، ونقوم بالفعل بإنشاء محطات تجريبية للبوندسوير. ومع ذلك ، في مجال السيارات الكهربائية ، ستكون هذه التكنولوجيا مناسبة للتنفيذ في حوالي عشر سنوات ، ”قال نواك.
المواد الغريبة غير مطلوبة لإنتاج بطاريات الأكسدة والاختزال المتدفقة. لا يلزم استخدام محفزات باهظة الثمن مثل البلاتين المستخدم في خلايا الوقود أو البوليمرات مثل بطاريات أيونات الليثيوم. التكلفة العالية لأنظمة المختبرات ، التي تصل إلى 2000 يورو لكل كيلوواط من الطاقة ، ترجع فقط إلى حقيقة أنها فريدة من نوعها ومصنوعة يدويًا.
في غضون ذلك ، يخطط متخصصو المعهد لبناء مزرعة رياح خاصة بهم ، حيث ستتم عملية الشحن ، أي التخلص من الإلكتروليت. مع تدفق الأكسدة والاختزال ، تعد هذه العملية أكثر كفاءة من التحليل الكهربائي للماء إلى هيدروجين وأكسجين واستخدامها في خلايا الوقود - توفر البطاريات الفورية 75 بالمائة من الكهرباء المستخدمة للشحن.
يمكننا أن نتخيل محطات الشحن التي تعمل ، إلى جانب الشحن التقليدي للسيارات الكهربائية ، بمثابة حواجز ضد الحمل الذروي لنظام الطاقة. اليوم ، على سبيل المثال ، يجب إيقاف تشغيل العديد من توربينات الرياح في شمال ألمانيا على الرغم من الرياح ، لأنها ستزيد من تحميل الشبكة.
فيما يتعلق بالأمن ، لا يوجد خطر. "عندما تقوم بخلط إلكتروليتين ، توجد دائرة قصر كيميائية تطلق الحرارة وترتفع درجة الحرارة إلى 80 درجة ، لكن لا شيء آخر يحدث. بالطبع ، بعض السوائل غير آمنة ، وكذلك البنزين والديزل. على الرغم من إمكانات بطاريات الأكسدة والاختزال المتدفقة ، يعمل الباحثون في معهد فراونهوفر بجد أيضًا على تطوير تقنية أيونات الليثيوم ...
النص: الكسندر بلوخ
بطارية تدفق الأكسدة
إن بطارية تدفق الأكسدة والاختزال هي في الواقع تقاطع بين بطارية تقليدية وخلية وقود. تتدفق الكهرباء بسبب التفاعل بين إلكتروليتين - أحدهما متصل بالقطب الموجب للخلية والآخر بالقطب السالب. في هذه الحالة ، يعطي أحدهم أيونات موجبة الشحنة (أكسدة) ، والآخر يستقبلها (اختزال) ، ومن هنا جاء اسم الجهاز. عند الوصول إلى مستوى معين من التشبع ، يتوقف التفاعل ويتكون الشحن من استبدال الإلكتروليت بأخرى جديدة. تتم استعادة العمال باستخدام العملية العكسية.
