I flytande metallbatterier (LMB) är elektro-vortexflöden en viktig faktor att beakta. Dessa flöden kan potentiellt uppstå genom smältning vid gränsytan mellan den positiva elektroden och elektrolyten. När man undersöker flödet i dessa batterier är det även av betydelse att notera korrelationen mellan elektro-vortexflöde och termisk konvektion. Joule-uppvärmd termisk konvektion och elektro-vortexflöden är två konkurrerande fenomen. I toppen av batteriet, där strömmen divergerar från den negativa strömsamlaren, tenderar elektro-vortexflödet att producera en poloidal rullning som är inriktad mot mitten och sjunker längs den centrala axeln. I kontrast orsakar Joule-uppvärmning vanligtvis en poloidal rullning som stiger längs centeraxeln, där ström och värme är koncentrerade.

När strömmen ökar blir båda fenomenen mer intensiva. Eftersom det arbete som utförs av elektro-vortexflödet växer proportionellt med strömmen och Joule-uppvärmningens hastighet växer som kvadraten på strömmen, förväntas de termiska effekterna dominera i situationer med mycket hög ström. Men detta är ett mycket komplext fenomen som beror på en mängd variabler, såsom volymen av den kompletta battericellen, smältpunkten och strömmens rumsliga fördelning. Därför måste detta fenomen studeras noggrant genom en kombination av modellering och experiment.

En annan viktig aspekt som påverkar batteriets funktion är gränssnittsstabilitet. Den största resistansen i en battericell kommer från elektrolytlageret, som har en mycket lägre ledningsförmåga än elektrodelagren. Därför är resistansen vid elektrolyt/elektrodeggränsen alltid stor, och varje förskjutning av elektrolytlageret påverkar strömdistributionen över hela cellen. Gränssnittsstabilitet är termen som används för att beskriva "metal pad roll instability" eller "sloshing instability", som uppstår när elektriska strömmar flödar genom ledande vätskor. Små deformationer i gränssnittet mellan aluminium och kryolit orsakar den välkända interfacestabiliteten i aluminiumreduktionsceller, vilket ger upphov till en horisontell störningsström i flytande aluminium. En oönskad konsekvens av bussledernas strömförsörjning till cellen är ett vertikalt magnetfält. Detta fält interagerar med den horisontella strömmen och producerar Lorentz-kraften, som driver ett roterande gränssnitt i horisontell riktning. Vid vissa förhållanden kan detta gränssnitt bli instabilt.

Om ett vertikalt magnetfält Bz skapas i en LMB-cylindercell kommer den tidigare jämnt fördelade strömtätheten att spridas för att minska det totala motståndet om ett eller båda elektrolyt/elektrodeggränssnitten lutar från den horisontella positionen. Strömmen kommer nästan vertikalt att flöda över elektrolyten på grund av dess dåliga ledningsförmåga. De horisontella strömmarna (Ih) kommer att visas främst i metallagren. Dessa horisontella strömmar producerar azimutala Lorentz-krafter i samverkan med det vertikala magnetfältet Bz. Genom kontinuerliga omläggningar av cellens väggar resulterar dessa krafter i rörelser som till slut utvecklas till roterande vågor.

I en typisk vågform kommer ytan på vågen att vara blå för låg vertikal strömtäthet och röd för hög vertikal strömtäthet. Där den minsta avståndet mellan elektroderna är, kommer den högsta vertikala strömtätheten att förekomma. Här kan vågens början och brytningen av elektrolytlageret grovt definieras med hjälp av Seles-kriteriet. Det är viktigt att förstå att om strömtätheten och det magnetiska bakgrundsfältet är tillräckligt höga, kan denna interfacestabilitet uppträda i vilken cell som helst och leda till kortslutning i LMB.

I praktiska celler med begränsad strömtäthet, särskilt om cellens diameter är större än några centimeter, är det viktigt att ta hänsyn till möjligheten för sloshing att inträffa. Detta gäller särskilt med ambitionen att bygga battericeller med diametrar på upp till flera meter. Därför är en av de mest betydande instabiliteterna i LMB:ers funktion gränssnittsstabiliteten.

Flytande metallbatteriers fluidmekanik är mycket mångfacetterad och komplex. Andra fenomen som Marangoni-flöde, termisk konvektion och magnetokonvektion påverkar också batteriets funktion. Marangoni-flöde uppstår när ett temperaturgradient skapar en ytspänninggradient som driver vätskans rörelse. Tayler-instabilitet kan också inträffa när det höga magnetiska trycket från vertikal ström rubbar vätskan och får dess flöde att veckas.

Termisk konvektion uppstår när temperaturgradienter skapar densitetsgradienter, eftersom nästan alla vätskor expanderar när de värms upp. När gradienterna är tillräckligt stora i närvaro av gravitation, kommer den tätare vätskan att sjunka medan den lättare vätskan stiger, vilket leder till termisk konvektion. Denna konvektion kännetecknas ofta av storskaliga konvektionsrullar. I LMB-celler med tre olika lager är det betydligt mer komplicerat att studera termisk och magnetisk konvektion jämfört med de som har ett enda lager av flytande metall.

När batteriet är aktiverat måste cellen upphettas till smältpunkten för vätskan inuti genom värmeelement som är installerade utanför batterihöljet. Termisk konvektion påverkar starkt elektrolyten, som genomgår betydande uppvärmning under urladdnings- och laddningsprocessen, särskilt i dess övre del. Dessutom kan termisk konvektion leda till att intermetalliska ämnen från elektrolyten kontaminerar den negativa elektroden, vilket har orsakat oro i experimentella studier.

Hur spelar energilagring en avgörande roll i övergången till förnybara energikällor?

Energilagringstekniker spelar en central roll i moderna energisystem, genom att de erbjuder lösningar för att balansera energiförsörjning och efterfrågan, förbättra energieffektiviteten och stärka nätets tillförlitlighet och motståndskraft. När världen övergår till förnybara energikällor som vind- och solkraft, som är intermittenta i sin natur, blir effektiv energilagring allt viktigare. Dessa teknologier gör det möjligt att fånga energi som produceras vid ett specifikt tillfälle för användning vid ett senare tillfälle, och på så sätt överbrygga klyftan mellan tillgång och efterfrågan.

Generellt kan energilagringstekniker delas in i fyra huvudkategorier: mekanisk, kemisk, elektrisk och termisk lagring. Varje kategori har sina egna mekanismer, tillämpningar och fördelar.

Mekanisk lagring inkluderar pumpkraftverk (PHS), den mest etablerade och vanligt förekommande formen av storskalig energilagring. Här pumpas vatten till en högre nivå under perioder med låg energiefterfrågan och släpps sedan ut för att generera elektricitet när efterfrågan är hög. Andra mekaniska lagringsmetoder är tryckluftslagring (CAES), där luft komprimeras och lagras under tryck, samt svänghjulslagringssystem som lagrar energi genom den roterande rörelsen hos en snurrande massa.

Elektrokemisk lagring representeras av olika typer av batterier, som litiumjonbatterier, natrium-svavelbatterier och flödesbatterier. Dessa lagrar energi i form av kemisk potentiell energi och omvandlar den tillbaka till elektrisk energi när det behövs. Batterier är avgörande för bärbara elektronikprodukter, elfordon och lagring på elnät, där de erbjuder hög energidensitet och effektivitet. Superkondensatorer, en form av elektrokemisk energilagring, lagrar energi genom elektrostatisk interaktion vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten, utan att betydande kemiska reaktioner är involverade. Därför kallas de ibland för elektriska dubbel-lagerkondensatorer (EDLC). På grund av den elektrokemiska naturen av lagringsprocessen faller de ändå under den bredare kategorin elektrokemiska energilagringsenheter. Deras hybridkaraktär, metaljonkondensatorer, kan erbjuda både hög energitäthet och effektdensitet.

Elektrisk lagring innefattar teknologier som supraledande magnetisk energilagring (SMES), som lagrar energi i det magnetiska fält som skapas av direkt ström i en supraledande spole, samt kondensatorer, som lagrar potentiell energi i ett elektriskt fält.

Termisk lagring handlar om att fånga värme eller kyla för senare användning, vilket kan avsevärt förbättra effektiviteten hos uppvärmnings- och kylsystem. Denna kategori omfattar lagring av värme genom känslig värme, latent värme genom fasändringsmaterial och termokemisk lagring.

Varje energilagringsteknik erbjuder unika fördelar och utmaningar, vilket gör dem lämpliga för olika tillämpningar, från att jämna ut variationer i förnybar energi och tillhandahålla reservkraft till att möjliggöra energiarbitrage och stödja nätstabilitet. I takt med att teknologiska framsteg fortsätter att utvecklas, förväntas effektiviteten, kapaciteten och kostnadseffektiviteten för dessa lagringslösningar förbättras, vilket kommer att spela en avgörande roll i övergången till ett mer hållbart och motståndskraftigt energisystem.

Vid sidan av dessa teknologier är utvecklingen och implementeringen av grid-scale energilagringssystem ännu mer central. Med tanke på att förnybara energikällor, som sol- och vindkraft, är väderberoende, måste energin som genereras lagras för att möta efterfrågan under perioder när dessa källor inte är aktiva. För att uppnå detta krävs det pålitliga och effektiva lagringslösningar som kan hantera stora mängder energi och distribuera den vid rätt tidpunkt. Batterier, särskilt litiumjonbatterier, har i många år varit dominerande inom detta område. Deras höga energitäthet och förmåga att snabbt släppa ut energi gör dem lämpliga för lagring på nätverksnivå. Ändå finns det fler alternativ som utvecklas, som exempelvis natrium-baserade batterier, som erbjuder potential för att minska de materialrelaterade problem som litiumbatterier står inför, samt minska de ekonomiska och miljömässiga kostnaderna.

En aspekt som också måste beaktas är säkerheten vid lagring och användning av energi. Det finns alltid en risk för teknologier som involverar stora mängder energi, och därför måste metoder för att förhindra termiska rusningar, överhettning eller kortslutningar vara en integrerad del av utvecklingen av batterisystem. Lösningar som avancerade kylsystem och smarta övervakningssystem för batterier kan bidra till att minska dessa risker och säkerställa att teknologierna är säkra och hållbara i användning.

När vi blickar mot framtiden kommer utvecklingen av batteriteknologier, särskilt på stor skala, att vara en avgörande komponent för att realisera visionen om ett globalt energinät baserat på förnybara källor. För att detta ska bli verklighet krävs inte bara förbättringar av nuvarande batteriteknologier, utan också en hel del innovationer för att lösa de utmaningar som ligger framför oss.

Hur Liquid Metal Batterier kan omvandla Energilagringsteknologier för framtida energinät

Energi är en grundläggande komponent i moderna ekonomier och samhällen. Idag står världen inför utmaningen att möta det ständigt växande behovet av energi, vilket är en direkt konsekvens av människans teknologiska framsteg och vår livsstils utveckling. Denna ökade efterfrågan på energi leder till uttömning av icke-förnybara fossila bränslen och ökad miljöförorening, framför allt genom utsläpp av växthusgaser och toxiner. I ljuset av dessa problem blir det klart att för att uppnå global hållbarhet och en lågkolkonomi måste vi integrera förnybara energikällor som sol- och vindkraft i våra energinät. Tyvärr är dagens energinät inte designade för att hantera den massiva integrationen av förnybar energi utan att orsaka instabilitet. Det anses att ett energinät blir betydligt instabilt om förnybara energikällor bidrar med mer än 20 % av den totala energiproduktionen. Därför krävs kostnadseffektiva och storskaliga energilagringsteknologier som kan reducera ineffektivitet och obalans i nätverken.

Energilagringssystem är avgörande för att möjliggöra en ren och hållbar energiutveckling i framtiden. Bland dessa system har uppladdningsbara batterier länge betraktats som en av de mest effektiva lösningarna för att hantera den intermittenta naturen hos förnybara energikällor och stabilisera fluktuationer i elnätet. De erbjuder hög verkningsgrad, flexibel effektutmatning, låga underhållskrav och en drift utan utsläpp. Trots dessa fördelar hindras batteriteknologier av höga kostnader, säkerhetsrisker kopplade till termisk runaway och relativt kort livslängd. Emellertid, efter att Donald R. Sadoway och hans team uppfann Liquid Metal Batterier (LMB), har många av dessa problem fått lösningar, vilket har lett till ett återupplivat intresse för utveckling av batteriteknologier för energinät.

LMB består av en tredelad elektrolytcell med två vätskeelektroder, en negativ och en positiv, som separeras av ett smält salts elektrolyt. Dessa elektrolyter själv-segregeras i tre lager baserat på deras densitet och omöjlighet att blandas. De elektrokemiska processerna i LMB drivas av den olika elektronegativiteten hos de två elektroderna, och materialet för dessa elektroder har en avgörande betydelse för batteriets prestanda, tillverkningskostnad och användbarhet. LMB betraktas som ideala kandidater för storskalig energilagring i nätet, på grund av deras fördelar som låga kostnader, enkel celltillverkning och exceptionell cyklingslivslängd. Detta beror på de billiga material som används, samt de amorfa och flytande egenskaperna hos både elektroder och elektrolyter.

Flera typer av LMB har utvecklats, däribland de som baseras på kalium, magnesium, kalcium och litium, och dessa har integrerats i nätverkssystem. Trots deras stora potential, möter dessa batterier fortfarande vissa utmaningar, såsom höga driftstemperaturer, låg urladdningsspänning och höga kostnader. Vidare har de komplexa kemiska reaktionerna vid höga temperaturer hindrat praktiska tillämpningar av LMB, på grund av säkerhetsrisker. För att tackla dessa problem undersöker forskare nya metoder för att utveckla LMB som kan operera vid rumstemperatur eller mellanliggande temperaturer, vilket skulle lösa flera av de befintliga begränsningarna.

Elektrodematerial spelar en avgörande roll för batteriets totala energieffektivitet. Därför är det av yttersta vikt att optimera både elektroder och elektrolytgränssnitt, samt att söka efter högre reaktiva elektrodmaterial. Detta kommer att vara avgörande för att driva innovation och förbättra den elektrokemiska prestandan hos LMB. Nyligen har material baserade på selen och svavel (chalcogenider) uppmärksammats som lovande alternativ för elektroder i LMB, tack vare deras höga reversibla specifika kapaciteter. Dessa material erbjuder en potential för att förbättra både den långsiktiga stabiliteten och cyklingsprestanda hos batterier.

Det är också viktigt att förstå att utvecklingen av LMB är en del av en större trend inom energilagringsteknologier. De senaste åren har forskning och innovation lett till framsteg inom flera områden, inklusive förbättrade elektrolyter, mer effektiva materialval och metoder för att hantera säkerheten vid drift vid höga temperaturer. Den fortlöpande utvecklingen av dessa batterier är inte bara avgörande för att hantera intermittens i energiproduktion, utan även för att möjliggöra ett effektivt och hållbart energinät som kan stödja världens växande energibehov. Med fortsatt forskning och utveckling har LMB potentialen att förändra hela landskapet för energilagring, och därmed spela en avgörande roll i att säkerställa en grön och hållbar framtid.

Hur mikrovågs- och kemisk ångdepositionssyntes förbättrar batterimaterial av chalcogenider

Mikrovågsassistad syntes har på senare tid blivit en lovande metod för produktion av chalcogenider, särskilt för applikationer inom energilagring. Denna metod erbjuder fördelar som minskad energiförbrukning och förbättrad homogenitet i både den strukturella och kemiska sammansättningen av materialet. Genom att justera mikrovågseffekten och reaktionstiden kan man kontrollera partikelstorlek och morfologi, vilket är avgörande för batteriers prestanda. Mikrovågsassisterad syntes gör det också möjligt att tillverka nya kristallina chalcogenider genom att använda lösliga chalcogenider som föregångare. Denna metod kan skapa homogena geléliknande föregångare, vilket förhindrar bildandet av termodynamiskt stabila binära faser och gynnar kristalliseringen av önskade klusterföreningar. Denna förmåga är central för att utveckla avancerade material för energilagring, där specifika strukturella egenskaper kan ha en betydande inverkan på prestandan.

Trots de många fördelarna som mikrovågsassistad syntes erbjuder kräver den noggrant kontrollerade parametrar, såsom effekt, tid och lösningsmedelsval, för att undvika oönskade faser eller icke-homogena produkter. Dessutom kan de initiala kostnaderna för att sätta upp mikrovågsreaktorer vara höga, men dessa kostnader kompenseras snabbt genom de snabbare syntesprocesserna och den förbättrade materialprestandan. Mikrovågsmetoden framstår därför som ett lovande alternativ för att utveckla chalcogenider för batteriapplikationer, och dess förmåga att producera material snabbt och effektivt, samtidigt som de elektro-kemiska egenskaperna förbättras, gör den värdefull för materialvetenskapens utveckling.

En annan metod för syntes av chalcogenider är kemisk ångdeposition (CVD), som är välkänd för att producera högkvalitativa tunna filmer och nanostrukturer av chalcogenider, särskilt 2D-övergångsmetallchalcogenider som MoS2 och WS2. Dessa material spelar en kritisk roll i olika batteriteknologier. CVD-teknik, särskilt termisk CVD och plasma-förstärkt CVD (PECVD), erbjuder fördelar i form av precisionskontroll över tjockleken på de tunna filmerna, vilket är avgörande för batterielektroder med förbättrade laddnings-/urladdningshastigheter. CVD möjliggör tillväxten av enstaka kristallkvaliteter, vilket ofta inte är möjligt med andra syntesmetoder, och producerar material med få defekter — en egenskap som är central för att förbättra de elektro-kemiska egenskaperna i batterier. CVD-metoden är dessutom väletablerad och gör det möjligt att producera stora mängder material i industriell skala.

Under CVD-processen reagerar flyktiga föregångare i gasfasen, och dessa transporteras till uppvärmda substrat med hjälp av inerta bärargaser som argon eller kväve. Värmen initierar nedbrytning eller reaktion av föregångarna, vilket leder till att ett tunt skikt av chalcogenidmaterial deponeras på substratet. För chalcogenider, såsom Mo, W eller Sn, reagerar metallegenterna med selen, svavel eller tellur vid förhöjda temperaturer för att bilda lagrade föreningar. CVD:s mångsidighet är särskilt fördelaktig i batteritillämpningar, där gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten spelar en avgörande roll för enhetsens prestanda.

Med framsteg inom CVD-tekniker har framgångsrik syntes av 2D-övergångsmetall-dichalcogenider som MoS2 och WS2 möjliggjorts. Dessa material uppvisar anmärkningsvärda elektroniska egenskaper. Genom CVD kan även monolagers tjocklek åstadkommas, vilket är mycket önskvärt då det ökar ytan och ledningsförmågan, vilket i sin tur förbättrar batteriets kapacitet och cyklingsstabilitet. Dessa material har visat sig förbättra laddningstransport och lagringskapacitet, vilket gör dem till lovande kandidater för nästa generations batterier.

För att optimera chalcogenidmaterialens prestanda är det också nödvändigt att förstå deras kristallstruktur. Röntgendiffraktionsstudier (XRD) spelar en central roll i att undersöka skillnader i kristallinitet mellan bulk- och nanosheet-former av exempelvis Bi2Se3. XRD används ofta för att analysera de syntetiserade materialen och anpassa deras kristallstruktur till de specifika krav som ställs på batterielektroder. Genom att undersöka fasförändringar i material under cykling kan XRD-teknik ge en djupare förståelse för strukturella förändringar som sker under batteriets drift, vilket är avgörande för att förbättra prestandan och stabiliteten hos dessa material.

XRD har även visat sig vara ett värdefullt verktyg för att studera de elektroniska egenskaperna hos chalcogenföreningar. Geometrin och den lokala elektroniska miljön kring chalcogenbindningar kan undersökas genom diffraktion, vilket gör det möjligt att skräddarsy nya material med specifika egenskaper för batteriapplikationer. Genom att kombinera XRD med andra analytiska tekniker kan man få en mer komplett bild av hur materialens struktur och kemisk

Hur man skapar smakrika infunderade syror och sötningar för matlagning och drycker
Hur påverkar komponentfel och underhåll hållbarheten i subsea-transmissionssystem?
Hur ord och fraser kan förbättra förståelsen av kulturer genom språk
Hur man tillreder en traditionell vietnamesisk karameliserad fisk i slow cooker