Kiinalainen tutkijaryhmä on julkaissut tietoja vesipohjaisesta akusta, jonka he sanovat voivan muuttaa tapaa, jolla sähköverkkoenergiaa varastoidaan. Tulokset julkaistaan Nature Communications -lehdessä. Akku toimi laboratoriotesteissä 120 000 lataus- ja purkaussykliä. Se säilytti suurimman osan kapasiteetistaan koko ajan. Tutkijat kuvailevat sen hävitysprofiilia ympäristöystävälliseksi.
Neutraali elektrolyytti ytimessä
Suunnittelussa keskitytään pH-neutraaliin elektrolyyttiin, joka on valmistettu magnesium- ja kalsiumsuoloista. Tämä poikkeaa tavanomaisesta vesipitoisesta akkukemiasta, joka usein perustuu vahvasti happamiin tai emäksisiin liuoksiin. Nämä liuokset syövyttävät elektrodeja ja hajoavat ajan myötä. Neutraali lähestymistapa välttää molemmat ongelmat. Elektrolyytin pH-arvo on 7, lähellä puhtaan veden pH-arvoa.
Keskeisenä haasteena oli elektrolyytin yhdistäminen oikean elektrodimateriaalin kanssa. Tiimi kehitti kovalenttisen orgaanisen polymeerielektrodin, joka oli suunniteltu vastaanottamaan magnesium- ja kalsiumioneja. Polymeerissä on jäykkä, hunajakennomainen molekyylirakenne. Tämä rakenne estää aktiivisen yhdisteen hajoamisen vesipohjaisessa kemiassa. Testeissä kenno tuotti 112.8 milliampeerituntia grammaa kohden.
Pitkäikäisyysväitteet ja mitä ne tarkoittavat
Tutkijat väittävät, että päivittäisillä latauskerroilla akun käyttöikä voisi kestää vuosisatoja. Live Science raportoi väitteen pitävän paikkansa 24-luvulle asti. Luku vaatii kontekstia. Laboratoriossa mitatut latauskertojen määrät eivät aina vastaa suoraan todellisia olosuhteita. Lämpötilan vaihtelut, kuormituksen vaihtelut ja fyysinen rasitus kenttäasennuksissa tuovat mukanaan muuttujia, joita laboratoriotestit eivät täysin toista.
120 000 syklin luku on jo itsessään huomattava tulos. Useimmat kaupalliset litiumioniakut heikkenevät merkittävästi 2 000–4 000 syklin jälkeen. Jopa verkkoon kytketyt litiumrautafosfaattikennot toimivat tyypillisesti 3 000–6 000 syklin välillä ennen merkittävää kapasiteettihäviötä. Ero näiden lukujen ja 120 000 syklin välillä on suuri. Tuloksen riippumatonta vahvistusta ei ole vielä julkaistu.
Myös hävitysväite ansaitsee huomiota. Kirjoittajat kuvailevat elektrolyyttikemiaa riittävän turvalliseksi suoraan ympäristöystävälliseen hävittämiseen. Tämä on vahva väite. Ison-Britannian, Yhdysvaltojen ja EU:n sääntelykehykset asettavat tiukat kynnysarvot akkujen hävittämiselle. Sen selvittäminen, täyttääkö tämä kemia nämä kynnysarvot käytännössä, edellyttäisi riippumatonta ympäristötestausta.
Missä vesipohjaiset akut ovat kamppailleet
Vesipohjaiset akut ovat herättäneet tasaista kiinnostusta verkkovarastointikehittäjien keskuudessa. Ne eivät syty tuleen. Niiden valmistus voi olla halvempaa kuin litiumioniakkujen. Vesipohjaisia elektrolyyttejä on laajalti saatavilla ja ne ovat helppoja käsitellä.
Kompromisseja on kuitenkin ollut. Vesipohjaisten järjestelmien energiatiheys on pienempi kuin litiumioni-vaihtoehdoissa. Elektrodin korroosio on lyhentänyt monien mallien käyttöikää. Energy Storage Materials -lehdessä julkaistussa katsauskirjallisuudessa nämä rajoitukset on dokumentoitu yksityiskohtaisesti. Ne ovat rajoittaneet kaupallista käyttöönottoa, vaikka verkkovarastoinnin kysyntä kasvaa.
Uusi suunnittelu pyrkii minimoimaan näitä kompromisseja. Neutraali elektrolyytti puuttuu suoraan korroosioon. Polymeerielektrodi puolestaan korjaa hajoamista. Julkaistu artikkeli ei vielä vastaa kysymykseen, kestääkö yhdistelmä mittakaavassa, eri lämpötila-alueilla ja todellisissa sähköverkkoympäristöissä.
Verkkovarastoinnin kysyntä ja laajempi konteksti
Verkkoon kytkeytyvästä akkuvarastointijärjestelmästä on tullut prioriteetti puhtaan energian suunnittelussa. Kansainvälinen energiajärjestö IEA on toistuvasti merkinnyt varastointikapasiteetin sitovaksi rajoitteeksi uusiutuvan energian integroinnille. Tuuli- ja aurinkoenergian tuotanto on ajoittaista. Varastointi tasoittaa tätä ajoittaisuutta. Litiumioniakkuja on eniten nykyisissä asennuksissa, mutta toimitusketjuun liittyvät huolenaiheet, raaka-ainekustannukset ja tulipaloriski ovat pitäneet kiinnostuksen vaihtoehtoihin yllä.
Vesijärjestelmät, virtausakut ja paineilman varastointi ovat kaikki herättäneet investointien ja tutkimuksen kiinnostusta. Jokaisella on erilaiset kustannus- ja suorituskykyprofiilit. Akku, jolla on erittäin pitkä käyttöikä ja alhainen ympäristöriski, ratkaisisi kaksi alan sitkeimmistä kaupallisista huolenaiheista.
Kiinalaisen tiimin työ on vasta alkuvaiheessa. Nature Communications -lehdessä julkaistu tutkimus osoittaa, että menetelmä on läpäissyt asiantuntijatarkastuksen. Se ei kuitenkaan vahvista kaupallista valmiutta.
Mitä tulee seuraavaksi
Seuraava testi on skaalautuminen. Laboratoriokennot ja verkkoasennukset eroavat toisistaan valtavasti teknisen monimutkaisuuden suhteen. Kovalenttista orgaanista polymeerielektrodia olisi valmistettava suuria määriä. Kilowattituntikohtaiset kustannukset skaalautuneina eivät ole tiedossa nykyisestä artikkelista.
Tutkijat eivät ole ilmoittaneet kaupallisesta kumppanista tai pilottihankkeesta. Julkaistussa materiaalissa ei ole aikataulua käyttöönotolle. Tulokset ovat riittävän uskottavia seurattavaksi, mutta liian aikaista käsitellä ratkaistuna ongelmana.
