I dagens snabbt växande urbana landskap är behovet av tillförlitlig och hållbar energi mer akut än någonsin. Sol- och vindkraft, även om de är både rika och förnybara resurser, kan inte alltid leverera elektricitet i enlighet med de faktiska konsumtionsmönstren. Därför spelar nätbaserad energilagring en avgörande roll i att säkerställa att den energi som genereras från dessa förnybara källor är tillgänglig vid rätt tidpunkt. Detta stärker både nätets tillförlitlighet och motståndskraft. Ett exempel på detta är Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC) i Wang Chan Valley, Rayong, Thailand, där ett avancerat system för energilagring vid nätstorskalig nivå har utvecklats för att möta de växande kraven på hållbar och pålitlig energi i moderna urbana miljöer. Detta system spelar en central roll för att säkerställa infrastrukturens motståndskraft och effektivitet samtidigt som det bidrar till att minska koldioxidavtrycket och stärker energisäkerheten.

Detta energilagringssystem utnyttjar avancerad teknik för att stödja integrationen av förnybara energikällor, såsom sol och vind, och stabiliserar elnätet. Det minskar också beroendet av fossila bränslen. I takt med att städer fortsätter att växa och utvecklas, är sådana innovationer avgörande för att skapa hållbara urbana ekosystem som främjar långsiktig miljöhälsa och energioberoende, vilket är i linje med de globala målen för en grönare framtid.

En särskild teknologisk innovation som spelar en central roll i detta är natriumbaserade flytande metallbatterier (Na-LMB). Dessa batterier representerar ett banbrytande framsteg inom energilagringsteknologier, särskilt för användning på nätstorskalig nivå. LMB-batterier är unika i sin design och funktion, och består av tre flytande lager: två metall-elektroder separerade av en smält salt-elektrolyt. De olika densiteterna och immiscibiliteten hos dessa material gör att de bildar stabila, stratifierade lager som kan fungera vid förhöjda temperaturer. Detta möjliggör ett effektivt flöde av joner inom batteriet och möjliggör snabb uppladdning och urladdning.

Det största intresset för LMB-batterier ligger i deras potential för energilagring i stor skala, särskilt när det gäller att stabilisera förnybara energikällor på elnätet. Flytande elektroder möjliggör hög jonledningsförmåga och snabba laddnings- och urladdningscykler, samtidigt som deras flytande natur hjälper till att minska nedbrytning över tid, vilket innebär en längre livslängd jämfört med traditionella fasta batterier. En annan stor fördel med LMB-teknologin är dess skalbarhet. Batterierna kan enkelt skalas upp genom att öka storleken på battericellerna för att möta större energilagringsbehov, vilket gör dem mycket lämpliga för användning vid nätstorskalig energilagring. Kombinationen av låg kostnad och tillgången på lämpliga material, särskilt för natriumbaserade LMB-batterier, gör dessa batterier till ett mycket lovande alternativ för storskaliga energilagringslösningar.

Natrium har visat sig vara ett särskilt viktigt element för utvecklingen av LMB-batterier. Med sina unika fysikaliska och kemiska egenskaper är natrium idealiskt för användning i energilagringsteknologier. Dess överflöd och relativt låga kostnad gör natrium till ett attraktivt alternativ för storskaliga batterisystem, vilket potentiellt erbjuder ett mer ekonomiskt alternativ jämfört med andra material, som litium. En av de viktigaste fördelarna med natrium är dess höga jonledningsförmåga, vilket gör att laddnings- och urladdningsprocesserna kan ske mycket effektivt. Denna egenskap är avgörande för att upprätthålla hög effekt och snabb respons, vilket är nödvändigt för energilagring vid nätstorskalig nivå.

En annan fördel med natrium är dess relativt låga smältpunkt, som är 97,8°C, vilket gör att LMB-batterier kan drivas vid lägre temperaturer och därmed minimerar energiförluster och förbättrar effektiviteten. Det är också viktigt att notera att natriumbaserade batterier erbjuder en mer hållbar och miljövänlig lösning än batterier som använder mer sällsynta eller giftiga material. Därmed bidrar natrium till målet om att minska beroendet av enskilda resurser och förbättra energisäkerheten.

För att ge ett konkret exempel, använder natriumbaserade flytande metallbatterier (Na-LMB) en metall-natrium negativ elektrod och en multikationisk ternär smält kloridsalt (LiCl-NaCl-KCl) som elektrolyt, vilket minskar natriums löslighet och sänker självurladdningshastigheten. Detta gör att de kan drivas vid lägre temperaturer, omkring 450°C. Na-LMB-batterier har visat sig vara mycket kostnadseffektiva, med en lagrad kostnad på mindre än 0,029 USD/kWh, vilket gör dem till ett starkt alternativ för stora energilagringslösningar.

I sammanhanget av den globala övergången till mer hållbara energilösningar är Na-LMB-batterier mycket lovande. De kan väsentligt förbättra tillförlitligheten och flexibiliteten i förnybara energisystem genom att erbjuda en stabil och kostnadseffektiv lösning för energilagring. När forskningen och utvecklingen inom detta område fortsätter, ser framtiden för LMB-teknologin ljus ut, och det finns stora möjligheter för dessa batterier att spela en avgörande roll i att uppnå ett balanserat, motståndskraftigt och hållbart energinät.

Endtext

Hur fungerar smältmetallbatterier och deras elektrokemiska prestanda?

Smältmetallbatterier (LMB), en typ av högtemperaturbatterier, använder smältmetaller och elektrolyter för att lagra och omvandla energi. De har nyligen fått uppmärksamhet för sina potentiella fördelar, särskilt när det gäller lagring av stora mängder energi. En av de mest undersökta systemerna är magnesium-antimon (Mg-Sb) batteriet, där en smält magnesium (Mg) anod, en smält salts elektrolyt och en antimon (Sb) katod samverkar för att generera elektrokemisk energi. Under urladdning oxideras magnesium vid den negativa elektroden, vilket frigör Mg2⁺-joner i elektrolyten och elektroner i den externa kretsen. Samtidigt reduceras Mg2⁺-jonerna vid den positiva elektroden, vilket bildar en Mg-Sb legering. När batteriet laddas återgår magnesium från legeringen och deponeras tillbaka på den negativa elektroden.

En av de primära utmaningarna med Mg-Sb LMBs är deras prestanda vid olika driftförhållanden. Elektrochemisk prestanda har testats genom cyklisk voltamperometri (CV) och elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). CV-scan visar linjära ström-spänning relationer, vilket tyder på låg resistans och hög effektivitet. EIS-mätningar visar dock på begränsningar i massa-transporten vid lägre scan-frekvenser, vilket kan bero på Mg2⁺-iondepletion vid elektrolyt-elektrodförhållanden. Det har också observerats att ökad strömtäthet leder till högre IR-spänningsförlust och reducerad kapacitet, vilket tyder på att lösningens resistans och massa-transportbegränsningar påverkar batteriets prestanda. För att förbättra effektiviteten kan man optimera elektrolytens tjocklek, minska strömtätheten eller förbättra designen av strömkollektorer.

Även om Mg-Sb-systemet har visat på lovande resultat, ansågs det initialt inte vara praktiskt för användning på grund av de höga smältpunkterna för både magnesium (648°C) och antimon (630°C), samt den låga öppna kretsens spänning (OCV). Höga driftstemperaturer, låg cellspänning och begränsad kapabilitet för höga strömmar gjorde Mg-Sb-cellerna mindre lämpliga för storskaliga energilagringsapplikationer. Trots detta har det visats att celler som cyklas vid 50 mA/cm² med en urladdningstid på 10 timmar och en uppladdningsspänning på 0,85 V kan uppnå en coulombisk effektivitet på 97% och en volymeffektivitet på 71%, vilket leder till en total energieffektivitet på 69%.

Utöver magnesium-antimon systemet finns andra potentiella smältmetallbatterier som kan erbjuda ännu större fördelar, särskilt kalcium-baserade system (Ca-LMB). Kalcium, som har hög energi densitet och låg kostnad, anses vara ett hållbart alternativ till litium och natrium för energilagring. Kalcium är också mindre benäget att bilda dendriter, vilket gör det säkrare för användning i batterier som arbetar vid höga temperaturer. I kalcium-baserade LMBs används en smält kalciumanod och en smält salts elektrolyt. Dessa batterier är fördelaktiga eftersom de opererar vid höga temperaturer, vilket underlättar snabb jontransport och hög strömtålighet. Den höga smältpunkten för kalcium (842°C) gör att det kan operera stabilt vid högre temperaturer, vilket reducerar risken för termisk rusning, ett allvarligt säkerhetsproblem i många batterisystem.

Trots de många fördelarna, är utvecklingen av kalcium-baserade LMBs fortfarande på ett tidigt stadium, och flera tekniska utmaningar kvarstår. En av de största svårigheterna är att identifiera elektrolytkompositioner som fungerar effektivt vid de höga temperaturerna som krävs för kalciumoperation. Elektrolyten måste uppvisa hög jonledningsförmåga, termisk stabilitet och kompatibilitet med både kalcium-anoden och katodmaterialet. För att lösa detta pågår forskning för att utveckla nya blandningar av smält salter och jonvätskor som kan möta dessa krav, samtidigt som den totala driftstemperaturen sänks.

En annan teknisk utmaning är att hitta lämpliga katodmaterial som effektivt kan interkala eller legeras med kalciumjoner under drift. Katoden måste erbjuda hög kapacitet och låg polarisering samtidigt som den behåller sin strukturella integritet under många cykler. För att förbättra kalcium-baserade LMBs prestanda är framsteg inom materialvetenskap, särskilt förståelsen för kalcium-legeringar och intermetalliska föreningar, avgörande. Forskning har bland annat undersökt användningen av kalcium-bismuth (Ca-Bi) som en potentiell positiv elektrod vid driftstemperaturer mellan 500 och 700°C.

För att optimera prestanda för Ca-baserade LMBs har forskare undersökt system där den negativa elektroden är en legering av kalcium och metaller som magnesium (Mg), zink (Zn) eller aluminium (Al), medan den positiva elektroden kan bestå av bismuth (Bi), antimon (Sb), tenn (Sn) eller bly (Pb). Det elektrokemiska reaktionsförloppet kan beskrivas som Ca(in A) → Ca(in B), där termodynamiska drivkrafter för denna reaktion bestäms av förändringen i den partiella molära Gibbs fria energi.

För att effektivt kunna utnyttja dessa batteriers potential krävs ytterligare forskning för att optimera elektrolytkompositioner och elektroder för att uppnå långsiktig stabilitet och hög verkningsgrad vid de höga temperaturer som är nödvändiga för smältmetallbatteriers drift.

Vad gör gallium-baserade legeringar till ett lovande alternativ för högpresterande batterier?

Gallium-baserade legeringar, särskilt gallium-tin (EGaSn) nanopartiklar, genomgår betydande förändringar under litiering och de-litiering. Dessa processer innebär att den flytande metallen omvandlas till en solid legering, vilket medför volymexpansion. Denna fasövergång är fördelaktig för energilagring, men samtidigt uppstår utmaningar som sprickbildning och partikelavlossning, vilket leder till brott på den fasta elektrolyt-interfasen (SEI) och därmed irreversibel kapacitetsförlust. För att åtgärda dessa problem har en dubbel-försäkrings elektrodstruktur utvecklats, som fungerar som en buffert för volymexpansion och bibehåller elektrisk anslutning. Användningen av ett ledande polypyrrol (PPy) lager förhindrar effektivt den elektriska avlossningen av fasta produkter och minskar exponeringen av nya ytor, samtidigt som det bevarar den självhelande egenskapen hos den flytande metallen. Denna innovativa struktur förbättrar elektrodens cyklingsstabilitet och kapabilitet vid höga hastigheter, vilket gör den till en robust kandidat för högpresterande batterier.

Elektrokemiska tester visar att PPy-beläggningen förbättrar stabiliteten hos katoden under cykling avsevärt, vilket ökar elektrodens ledningsförmåga och vidhäftning. Inkorporeringen av poly(acrylsyra) (PAA) som bindemedel förstärker ytterligare elektrodens integritet genom vätebindningar, vilket minskar kapacitetsförlust och förlänger batteriets livslängd. CV-kurvor och laddnings- och urladdningsprofiler visar att EGaSn nanopartiklar uppvisar utmärkt reversibilitet och kapacitetsbehållning, vilket kan tillskrivas den självhealande naturen hos den flytande metallen och det skyddande PPy-lagret.

Utvecklingen av Ga-baserade legeringskatoder öppnar en lovande väg för avancerade litiumjonbatterier. Deras förmåga att kombinera hög kapacitet, självhelande egenskaper och stabilitet under cykling gör dem idealiska för tillämpningar som kräver långvarig och högpresterande energilagring. Vidare optimering av partikelstorlek, ytmotifikationer och bindemedel kan ytterligare förbättra de elektrokemiska prestanda, vilket banar väg för nästa generation av litiumjonbatterier med förbättrad effektivitet och hållbarhet.

Gallium-baserade legeringar, särskilt de som involverar flytande metaller, erbjuder stora fördelar i energilagringens värld, eftersom de kan tillgodose både hög kapacitet och lång livslängd. Dock återstår flera utmaningar, särskilt vad gäller batteriets långsiktiga stabilitet under upprepad cykling. Den metod som används för att skydda och förstärka elektrodernas struktur är avgörande för att upprätthålla de självläkande egenskaperna hos flytande metaller samtidigt som man undviker de negativa effekterna av volymexpansion.

För framtiden är det viktigt att ständigt undersöka de mekanismer och material som kan användas för att ytterligare optimera prestanda och hållbarhet. Den ökade förståelsen för de fysikaliska och kemiska processerna som styr batteriets funktion är grundläggande för att kunna implementera mer effektiva lösningar. Ytterligare forskning behövs för att hitta de rätta kombinationerna av material och strukturer som kan maximera energitätheten och livslängden för litiummetallbatterier, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för stora energilagringssystem.

Vid sidan av dessa teknologiska framsteg är det också viktigt att notera att framväxten av nya batteriteknologier och material ställer krav på nya testmetoder och ett bättre förstående för hur olika fysiska processer samverkar inom LMB-systemet. Detta kräver fortsatt arbete med multiphysikmodellering för att skapa designlösningar som kan skalas upp för industriell produktion och realtidsanvändning. När dessa teknologier når sin fulla potential kan de komma att spela en avgörande roll i framtida energilagring och användning i storskaliga system.

Vad är kopplingen mellan fysisk aktivitet och hjärnans funktion i samband med sarkopeni och svaghetssyndrom?
Hur kan man få högpresterande medarbetare att känna sig betydelsefulla?
Vad karakteriserar en "ensam varg" i dagens terrorism?
Vad är optiska aberrationer och hur påverkar de linser i ögonoptik?