A közepes hőmérsékletű folyékony fém akkumulátorok (MT-LMB-k) az energiatárolás egyik ígéretes irányát képviselik, különösen a hálózati méretű alkalmazásokban. Az elektrolitok nagy része, melyeket a magas hőmérsékletű LMB-k használnak, magas olvadáspontú olvasztott sók, emiatt a működési hőmérsékletük rendkívül magas. Ugyanakkor a fém vagy ötvözet elektródák, mint például a Li, Na, Bi, Sn-Pb vagy Si-Pb, alacsonyabb olvadáspontú anyagok, így a működési hőmérséklet meghatározása elsősorban az elektrolit olvadáspontjától függ. A kutatások fókuszában az alacsonyabb olvadáspontú, jó ionvezetőképességű szilárd elektrolitok fejlesztése áll, melyek lehetővé teszik a működési hőmérséklet jelentős csökkentését, miközben fenntartják a rendszer stabilitását és hatékonyságát.

Az elmúlt évtizedekben különösen a nátrium alapú közepes hőmérsékletű LMB-k kerültek előtérbe, melyek szilárd elektrolitokat alkalmaznak, és 350 °C alatt működnek. Tipikus példái ennek a ZEBRA és a Na||S akkumulátorok, amelyek működését az elektrolit és a katód összetétele, valamint a cella szerkezete alapvetően meghatározza. Az ilyen rendszerek egyik jelentős előnye a működési hőmérséklet csökkentése, amely mérsékli az anyagok időbeli lebomlását és növeli a biztonságot. Például a β”-Al2O3 szilárd elektrolit használata és a tetraglyme alapú katolittal kombinálva lehetővé teszi az akkumulátor stabil működését körülbelül 150 °C-on, miközben magas ionvezetőképességet ér el, és minimalizálja a nem kívánt reakciókat. Ezen túlmenően a nátrium-poliszulfidok részleges lebomlása által okozott önkisülés és kapacitáscsökkenés problémáját is kezelik ezek az innovációk.

A kettős elektrolit rendszer bevezetése további előrelépést jelent, ahol az ionos folyadékok, mint például a Na[OTf]-Cs[TFSA], javítják a poliszulfid intermedierek oldékonyságát és reakcióképességét, míg a β”-alumina elektrolit csökkenti a poliszulfid átkelődését. Ennek eredményeként a töltési kapacitás és a ciklusstabilitás kiemelkedő értékeket ér el, valamint a Coulomb-hatékonyság közelít a 100%-hoz. Ez a megközelítés csökkenti a feszültségveszteségeket és javítja a rendszer hosszú távú megbízhatóságát.

Az elektróda anyagok fejlesztése szintén központi kérdés, mivel a hagyományos Na-NiCl2 akkumulátorok esetében a nikkel kioldódása és irreverzibilis kapacitásvesztés jelentős problémákat okoz. Az erre adott válasz az aerogel alapú NiCl2-rGO katód, amely egy stabil, vezetőképes hálózatot alkot, jelentősen javítva az elektromos vezetőképességet és a ciklus stabilitást. Az anyagköltségek csökkentése érdekében a Ni/NaCl moláris arány optimalizálása tovább növeli a gazdaságosságot anélkül, hogy a teljesítmény romlana.

További irány a Na-vas-klorid (Na-FeCl2) alapú ZEBRA akkumulátorok fejlesztése, melyek nagyobb ciklusélettartamot és jelentős költségcsökkenést eredményeznek. Szénalapú adalékanyagokkal a katód aktivációja és kapacitásmegtartása jelentősen javul, a hatékonyság meghaladja a 92%-ot, míg az energiasűrűség eléri a 135 Wh/kg értéket, ami komoly előrelépést jelent a megújuló energiaforrásokhoz kapcsolódó álló energiatárolás terén.

Az elektrolit és az anód anyagok további finomítása, például a K-β”-Al2O3 membránnal ellátott Na-K ötvözet anód alkalmazása lehetővé teszi az alacsonyabb hőmérsékletű, folyékony fém áramlási akkumulátorok fejlesztését, amelyek 22 °C-on is működőképesek, és 3,1–3,4 V nyitott áramköri feszültséget biztosítanak. A membránok vékonyítása várhatóan csökkenti az ohmikus ellenállást, tovább javítva az energiaátvitelt.

Az elektrolit összetételének és az elektródok szerkezetének optimalizálása mellett a kutatók egyre nagyobb hangsúlyt fektetnek a működés közbeni önjavító folyamatokra és a biztonsági mechanizmusokra, amelyek létfontosságúak a hosszú élettartamú, megbízható energiatárolók kialakításához. A cél az, hogy a közepes hőmérsékletű folyékony fém akkumulátorok a hálózati energiatárolásban versenyképes, költséghatékony, biztonságos és fenntartható megoldássá váljanak.

Fontos megérteni, hogy ezen technológiák sikeres alkalmazása nemcsak az anyagok fizikai és kémiai tulajdonságainak fejlesztésén múlik, hanem a rendszerkomponensek komplex kölcsönhatásának mélyreható ismeretén is. A működési hőmérséklet optimalizálása, az elektrolit és az elektródok stabilitása, valamint az ionvezetőképesség egyensúlyának megteremtése kritikus a hatékony és hosszú életű akkumulátorok kialakításához. A jövőbeli kutatásoknak az ötvözetek összetételének finomhangolása mellett a különféle elektrolit-rendszerek, membránok és katódanyagok szisztematikus integrálására kell összpontosítaniuk, továbbá a skálázhatóság és a gazdaságosság feltételeinek megteremtésére.

Hogyan segíthetik a nátrium-alapú folyékonyfém-akkumulátorok a megújuló energia integrációját és az energiahálózat stabilitását?

A megújuló energiaforrások, mint a nap- és szélenergia, bár bőségesek és fenntarthatóak, nem mindig termelik az áramot a fogyasztás időbeli mintázatának megfelelően. Ebben a kihívásban rejlik a hálózati méretű energiatárolás kritikus szerepe: úgy működik, mint egy puffer, amely biztosítja, hogy a megújuló forrásokból származó elektromosság akkor álljon rendelkezésre, amikor arra szükség van, így növelve a hálózat megbízhatóságát és ellenállóképességét. Például a thaiföldi Wang Chan-völgyben, a Vidyasirimedhi Tudományos és Technológiai Intézetben (VISTEC) kifejlesztett hálózati energiatároló rendszer kimagasló szerepet tölt be a megbízható és fenntartható energiaigények kielégítésében a modern városi környezetekben.

A rendszer nem csupán az energiahatékonyságot növeli, hanem hozzájárul a szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez és az energiaellátás biztonságához. A megújuló források, különösen a nap- és szélenergia integrálásával stabilizálja az energiahálózatokat, csökkentve a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget. A városok növekedésével és fejlődésével ezek az innovációk kulcsfontosságúak a fenntartható városi ökoszisztémák kialakításában, amelyek hosszú távon biztosítják a környezeti egészséget és az energiafüggetlenséget, összhangban a globális zöld célkitűzésekkel.

Az egyik legígéretesebb technológia ebben a kontextusban a folyékonyfém-akkumulátorok (LMB-k). Ezek az akkumulátorok három folyékony rétegből állnak: két fém elektróda közé beékelődő olvadt só elektrolitból. Az anyagok eltérő sűrűsége és egymásban nem oldódó tulajdonságuk stabil, réteges szerkezetet hoz létre, amely magas hőmérsékleten működik. Ez a szerkezet lehetővé teszi az ionok zavartalan áramlását az akkumulátorban, ami hatékony energiatárolást és leadást eredményez. Az LMB-k különösen alkalmasak hálózati méretű energiatárolásra, ahol nagy kapacitásra és hosszú működési időre van szükség, például a megújulók ingadozó termelésének kiegyenlítésére. A folyékony elektródák gyors töltést és kisütést tesznek lehetővé, miközben csökkentik az idővel fellépő károsodást, így hosszabb élettartamot biztosítanak, mint a hagyományos szilárdtest-akkumulátorok.

Az LMB-k skálázhatósága is jelentős előny: a rendszer mérete könnyen növelhető, ha nagyobb energiatárolási kapacitás szükséges. Az alacsony költségű és bőségesen rendelkezésre álló anyagok, különösen a nátrium-alapú változatok esetében, vonzó alternatívává teszik őket a nagy volumenű energiatárolási megoldások között. Az egyszerű működés, a kevés mozgó alkatrész és a kisebb karbantartási igény alacsonyabb üzemeltetési költségeket eredményezhet. Bár az LMB-k magas működési hőmérséklete kihívásokat jelent az anyagok és a biztonság szempontjából, ez a magas hőmérséklet csökkenti az ohmikus veszteségeket, javítva az akkumulátor hatásfokát.

Különösen a nátrium játssza a főszerepet az LMB-k fejlődésében. Fizikai és kémiai tulajdonságai, valamint bőséges rendelkezésre állása és alacsony költsége révén ideális az energiatárolás számára. A nátrium kiváló ionvezetőképessége biztosítja a gyors töltési-kisütési ciklusokat, amelyek elengedhetetlenek a hálózati méretű alkalmazásokhoz. Alacsony olvadáspontja (97,8 °C) az egyéb fémekhez képest csökkenti az akkumulátor működési hőmérsékletét, ami tovább javítja az energiahatékonyságot és minimalizálja a veszteségeket.

A nátrium-alapú folyékonyfém-akkumulátorok, mint a Na-LMB-k, egy fémes nátrium negatív elektródából és egy többkationos, lítium-klorid, nátrium-klorid és kálium-klorid keverékből álló elektrolitból épülnek fel. Ez az összetétel csökkenti a nátrium oldhatóságát, mérsékli az önkisülési sebességet, és lehetővé teszi az alacsonyabb, körülbelül 450 °C-os működési hőmérsékletet. Az aktív anyagok jobb kihasználását elősegítő Bi9Sb ötvözet pozitív elektród beépítése stabil működést biztosít több száz cikluson át, miközben 97%-os coulombi hatékonyságot és 80%-os aktív anyag kihasználást ér el. Az ilyen akkumulátorok költséghatékonysága lenyűgöző: az energiatárolás szintetikus költsége (LCOS) 0,029 $/kWh alatt van, ami nagyon versenyképes megoldássá teszi őket a hálózati energiatárolásban.

Ezen technológia további fejlesztése és optimalizálása még hatékonyabbá és gazdaságosabbá teheti az energiatárolást, ami alapvető lépés a fenntartható és megfizethető energiarendszerek felé.

Fontos megérteni, hogy az energiatárolás nem csupán technológiai kérdés, hanem kulcsfontosságú tényező a megújuló energiák sikeres integrációjában és az energiahálózat stabilitásának fenntartásában. Az energiatároló rendszerek, különösen az LMB-k, lehetővé teszik az energiafeleslegek eltárolását és szükség szerinti visszaadását, ezzel kiegyenlítve a termelés és fogyasztás közötti időbeli eltéréseket. Ezáltal a megújuló energiák valódi potenciálját kiaknázva segítik elő a fosszilis energiahordozóktól való függőség csökkentését, a környezeti terhelés mérséklését és az energiafüggetlenség növelését. Az ilyen rendszerek fejlesztése és alkalmazása szoros összefüggésben áll a globális klímavédelmi célokkal és a fenntartható fejlődés stratégiáival.

Milyen előnyöket és kihívásokat rejt a Mg–Sb és Ca-alapú folyékonyfém-akkumulátorok alkalmazása?

A Mg–Sb típusú folyékonyfém-akkumulátorokat (LMB-k) háromrétegű rendszerként kell elképzelni: a felső rétegben található a magnézium, középen a MgCl₂−KCl−NaCl olvadt sóból álló elektrolit, alul pedig az antimont tartalmazó pozitív elektród. E rétegek stabil elválasztását a sűrűségbeli különbségek és az oldhatatlanság biztosítják, és ez a felépítés lehetővé teszi az elektrokémiai reakciók zavartalan működését. Kisülés során a magnézium oxidálódik, Mg²⁺ ionokat bocsátva az elektrolitba, miközben elektronokat ad le a külső áramkörbe. A pozitív elektródnál ezzel egyidejűleg Mg−Sb ötvözet keletkezik a Mg²⁺ redukciója révén. A töltés során a folyamat megfordul: az ötvözetből kiválik a magnézium, és ismét a felső elektródra rakódik le.

A rendszer elektrokémiai jellemzőit ciklikus voltammetriával (CV) és elektrokémiai impedanciaspektroszkópiával (EIS) vizsgálták. A CV lineáris áram-feszültség karakterisztikát mutatott, míg az EIS alapján elhanyagolható töltésátviteli túlfeszültség figyelhető meg, ami alacsony ellenállásra és nagy hatásfokra utal. Ugyanakkor alacsony frekvenciákon tömegtranszport-korlátozások léptek fel, valószínűleg a Mg²⁺ ionok kimerülése miatt az elektród–elektrolit határfelületen. Az akkumulátorok 50 mA/cm² árammal, 10 órás kisütési ciklussal és 0,85 V töltési végfeszültséggel 97%-os coulombos és 71%-os feszültséghatékonyságot értek el, amely összesített energiateljesítményben 69%-ot jelentett.

Teljes kisütés során a pozitív elektród körülbelül 12 mol% magnéziumot és 88 mol% antimont tartalmazott. Magasabb áramintenzitások esetén megnövekedett az IR-feszültségesés és csökkent a kapacitás, ami összhangban állt a mért oldatellenállással és tömegtranszport-korlátozásokkal. A hatásfok növelhető az elektrolit vastagságának csökkentésével, alacsonyabb áramintenzitás alkalmazásával, valamint a kollektor és az elektrolit optimalizálásával. Bár a Mg–Sb cellák eleinte nem tűntek életképes megoldásnak a magas olvadáspont (Mg: 648 °C, Sb: 630 °C), az alacsony nyitott áramköri feszültség és a korlátozott kisütési sebesség miatt, újragondolt konstrukcióval ezek a hátrányok mérsékelhetők.

A kalcium-alapú LMB-k megjelenése új dimenziót nyitott a skálázható energiatárolási rendszerek fejlesztésében. A Ca olcsósága, bőséges elérhetősége és magas energiasűrűsége révén fenntartható alternatívát jelent a lítium- és nátrium-alapú technológiákkal szemben. Az alapfelépítés hasonló: folyékony Ca anód, olvadt só elektrolit és fém- vagy ötvözött katód. A magas üzemi hőmérséklet elősegíti a gyors iontranszportot, elkerülve a szilárdtest-akkumulátorokra jellemző problémákat, mint például a dendritképződés vagy a mechanikai stressz.

A kalcium magas olvadáspontja (842 °C) stabil működést biztosít, miközben csökkenti a termikus elszabadulás veszélyét, amely sok más akkumulátorrendszernél komoly biztonsági kockázatot jelent. A Ca volumetrikus kapacitása lehetővé teszi a kompaktabb és nagyobb energiasűrűségű rendszerek kialakítását. Továbbá a Ca alacsony hajlama a dendritképződésre biztonságosabbá teszi az ilyen rendszereket, különösen magas hőmérsékleten.

Ugyanakkor a technológia még kezdeti stádiumban van. A legnagyobb kihívás a megfelelő elektrolit-összetétel megtalálása, amely képes ellenállni a magas hőmérsékletnek, miközben biztosítja a nagy ionvezetőképességet, hőstabilitást és kompatibilitást mind az anóddal, mind a katóddal. A kutatások új olvadt só keverékek és ionfolyadék-alapú elektrolitok fejlesztésére irányulnak, melyek csökkenthetik az üzemi hőmérsékletet és növelhetik az akkumulátor hosszú távú stabilitását.

A jelenlegi Ca-LMB rendszerek gyakran Ca–Mg, Ca–Zn vagy Ca–Al ötvözetet használnak negatív elektródként, míg a pozitív oldalon Bi, Sb, Sn vagy Pb alapú folyékony elektród szerepel. Az elektrokémiai reakció Ca(in A) → Ca(in B) formában értelmezhető, ahol a termodinamikai hajtóerőt a részleges moláris Gibbs-féle szabadentalpia különbség határozza meg, amit a Nernst-egyenlet ír le. A nagy egyensúlyi cellafeszültség eléréséhez elengedhetetlen a kalcium aktivitásának alacsonyan tartása a katód anyagban és magas szinten tartása az anódban

Hogyan alakultak ki a görögök szórakoztató szokásai és társadalmi normái?
Hogyan működik a Geofencing az Android alkalmazásokban, és mire kell figyelni a használatakor?
Hogyan válasszunk objektívet a fényképezéshez és mikor érdemes a teleobjektíveket használni?