3D tlačená batéria môže urýchliť vývoj veľkých úložísk energie

Výskumníci z Queen’s University Belfast vyvinuli lacný 3D tlačený batériový článok pre prietokové batérie, ktorý môže pomôcť zrýchliť vývoj veľkých energetických úložísk.

Kým porovnateľná komerčná technika môže stáť aj niekoľko tisíc eur, nové zariadenie vychádza približne len na 74 libier.

Prietokové batérie patria medzi technológie, ktoré sa skúmajú pre dlhodobé ukladanie elektriny zo solárnych a veterných elektrární. Energiu neukladajú do pevných elektród ako bežné lítiovo-iónové batérie, ale do kvapalných elektrolytov uložených v samostatných nádržiach. Ich kapacitu tak možno zvyšovať zväčšovaním objemu týchto nádrží, čo je zaujímavé najmä pri stacionárnych úložiskách.

Za lacnou výskumnou celou stojí Hugh O’Connor z Queen’s University Belfast. Počas doktorandského výskumu potreboval zariadenie na vlastné experimenty, no zistil, že komerčné riešenie by ho vyšlo na niekoľko tisíc libier. Začal preto jednotlivé časti vyrábať pomocou 3D tlače a postupne upravoval ich konštrukciu. Na projekt upozornilo britské BBC.

Výsledkom je otvorený a prispôsobiteľný návrh, ktorý možno vyrábať aj na dostupných stolových 3D tlačiarňach. Výskumníci pri jeho vývoji optimalizovali okrem iného prúdenie elektrolytu vo vnútri cely a vhodnosť použitých polymérov. Pri dlhodobých testoch zostala konštrukcia tesná aj počas experimentov trvajúcich približne mesiac a jej výsledky boli porovnateľné s komerčnou testovacou celou.

Samotná nízka cena pritom nie je jediným dôvodom, prečo má zariadenie význam. Výskum prietokových batérií dnes naráža na problém, ktorý je pri vývoji novej technológie zásadný: výsledky z rôznych laboratórií sa nemusia dať spoľahlivo porovnávať.

Aj drobné rozdiely pri zostavení cely, príprave materiálov, zapojení prístrojov alebo nastavení experimentu môžu ovplyvniť namerané parametre. Dve výskumné skupiny tak môžu testovať rovnakú chémiu a napriek tomu dospieť k rozdielnym výsledkom.

O’Connorov tím preto začal rovnaké cely posielať ďalším pracoviskám spolu s podrobným návodom na zostavenie. Samotný O’Connor ho pre BBC prirovnal k návodu od Ikey. Namiesto predaja technológie sa tím rozhodol návrh sprístupniť výskumnej komunite, aby mohlo rovnaký hardvér používať čo najviac laboratórií.

Tento prístup už výskumníci otestovali vo väčšom medzinárodnom experimente. Osem výskumných skupín zo siedmich akademických inštitúcií dostalo rovnakú celu, materiály aj elektrolyt a malo uskutočniť porovnateľné elektrochemické merania. Do projektu sa zapojili napríklad Queen’s University Belfast, MIT, University of Cambridge, Harvard University či Eindhoven University of Technology.

Výsledky ukázali, že ani rovnaký hardvér a rovnaká chémia automaticky nezaručujú rovnaké čísla. Medzi laboratóriami vznikli merateľné rozdiely v nabíjaní a vybíjaní, polarizačných meraniach aj elektrickom odpore. Pri niektorých ukazovateľoch boli odchýlky dostatočne veľké na to, aby mohli skresliť porovnávanie jednotlivých materiálov alebo chemických riešení.

Výskumníci tým zároveň získali lepší obraz o tom, kde chyby vznikajú. Výsledky ovplyvňovalo napríklad elektrické zapojenie, homogenita elektrolytu v nádržiach, príprava materiálov, teplota či konkrétny spôsob vykonania merania. Zistenia preto podporujú zavádzanie spoločných protokolov a presnejšieho popisu experimentálnych postupov.

To môže mať praktický význam aj ďaleko za stenami laboratória. Prietokové batérie sa od lítiovo-iónových článkov odlišujú tým, že množstvo uloženej energie a výkon systému možno do veľkej miery navrhovať oddelene. Pre stacionárne úložiská, ktoré majú dodávať energiu celé hodiny, preto predstavujú jednu z možností, ako doplniť technológie používané dnes.

Veľká časť súčasných prietokových batérií využíva vanád. Ten má vhodné elektrochemické vlastnosti, jeho cena a dodávateľský reťazec však môžu predstavovať problém pri masovom rozšírení technológie. Tím z Belfastu preto pracuje aj s chémiou založenou na železe, ktoré je podstatne dostupnejším prvkom.

Lacná 3D tlačená cela sama osebe nové energetické úložisko nenahradí. Jej úlohou je umožniť väčšiemu počtu laboratórií skúšať nové materiály a elektrolyty na porovnateľnom zariadení a rýchlejšie odlíšiť sľubnú chémiu od výsledku, ktorý vznikol iba odlišným spôsobom merania.

Výskumníci už zároveň prechádzajú od jednej cely k väčším zostavám. Testujú takzvané stacky, v ktorých je zapojených viac článkov naraz a ktoré sa viac približujú konštrukcii reálneho batériového systému. Práve pri tomto zväčšovaní sa ukáže, či chemické riešenia fungujúce v laboratórnej cele dokážu zachovať svoje vlastnosti aj v podmienkach bližších priemyselnému využitiu.