Magazynowanie energii odnawialnej, kluczowe dla stabilności sieci energetycznych, może stać się bardziej dostępne dzięki wykorzystaniu odpadów przemysłowych w nowych rodzajach baterii typu redox. Zespół badaczy z Northwestern University, kierowany przez Emily Mahoney, opracował technologię, która przekształca odpady powstające podczas produkcji przemysłowej w komponenty do baterii o wysokiej wydajności.
Jak działają baterie redox?
Baterie redox (Redox Flow Batteries, RFB) przechowują energię w dwóch płynach: anolicie i katolicie. Płyny te są przechowywane w oddzielnych zbiornikach, a ich przepływ przez komorę z membraną pozwala na zachodzenie reakcji chemicznych generujących energię. Proces można odwrócić, co umożliwia ponowne naładowanie baterii. Technologia ta cechuje się skalowalnością i możliwością długotrwałego cyklicznego użytkowania.
Niestety, tradycyjne baterie redox korzystają z metali takich jak lit i kobalt, których zasoby są ograniczone, a ich wydobycie jest kosztowne i niekorzystne dla środowiska. Ponadto baterie te są duże i wymagają regularnej konserwacji z powodu wykorzystywania w nich ruchomych części.
Odpady przemysłowe w roli kluczowego komponentu
Przełom nastąpił dzięki odkryciu sposobu na wykorzystanie tlenku trifenylofosfiny (TPPO), ubocznego produktu powstającego podczas produkcji tabletek witaminowych i innych wyrobów chemicznych. TPPO, dotychczas uznawany za odpad bez wartości komercyjnej, może zostać przekształcony w cykliczny tlenek trifenylofosfiny (CPO). CPO charakteryzuje się wysokim potencjałem magazynowania ładunku i stabilnością nawet po 350 cyklach ładowania i rozładowania.
„Molekuła o wysokim potencjale ujemnym zwiększa ogólny potencjał ogniwa, a tym samym efektywność baterii” – wyjaśnia Emily Mahoney. „Jednakże często zwiększenie potencjału wiąże się z problemami ze stabilnością, dlatego odkrycie związku, który łączy stabilność i wysoki potencjał, jest ekscytujące”.
Przewagi nowej technologii
CPO wyróżnia się na tle innych anolitów wykorzystywanych w bateriach redox. Jego potencjał przechowywania energii jest zdecydowanie wyższy w porównaniu do substancji stosowanych dziś w bateriach, co pozwala na zwiększenie gęstości energii. Dodatkowo CPO można produkować w prostym procesie chemicznym, co umożliwia jego masową produkcję na skalę przemysłową.
Eksperymenty wykazały, że po odpowiednim zmieszaniu rozpuszczalników uzyskano środowisko, w którym cząsteczki CPO pozostają stabilne i nie tracą pojemności nawet po 350 cyklach ładowania. To znaczący krok naprzód w porównaniu z tradycyjnymi anolitami, które często cierpią na problemy związane z rozkładem chemicznym podczas długotrwałego użytkowania.
Zastosowanie i ograniczenia
Baterie z wykorzystaniem CPO są szczególnie atrakcyjne dla magazynowania energii z odnawialnych źródeł, takich jak elektrownie wiatrowe czy słoneczne. Ich zdolność do stabilnego przechowywania dużych ilości energii może być kluczowa dla stabilizacji sieci energetycznych w miarę rosnącego udziału energii odnawialnej w globalnym miksie energetycznym.
Należy jednak pamiętać, że ze względu na ich rozmiar i ciężar, baterie redox nie zastąpią litowo-jonowych w pojazdach elektrycznych czy smartfonach. Jak podkreśla Mahoney, „RFB są projektowane z myślą o bezpieczeństwie i dużych pojemnościach, ale ich gabaryty wykluczają zastosowania mobilne”.
Opracowana technologia może jednak zmniejszyć zależność od krytycznych surowców, takich jak lit i kobalt, jednocześnie przyczyniając się do zredukowania ilości odpadów przemysłowych, co stanowi istotny krok w stronę zrównoważonego rozwoju energetyki.
