거래의 달콤함: 설탕 용액으로 플로우 배터리의 전력 출력과 내구성 향상

PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 획기적인 연구에서 연구자들은 지속 가능한 대규모 에너지 저장을 위한 유망한 솔루션으로 평가받는 플로우 배터리의 용량과 수명을 획기적으로 향상시켰습니다. 플로우 배터리의 전해질에 β-사이클로덱스트린이라는 단순 설탕을 추가함으로써 팀은 최대 전력 출력을 무려 60%나 증가시킬 수 있었습니다. 특히, 1년 동안 연속 충방전을 반복한 후에도 배터리는 거의 모든 용량을 유지했습니다.

플로우 배터리는 다목적이며 장기간 확장 가능한 에너지 저장에 이상적으로 적합하다는 점에서 일반적인 자동차나 노트북 배터리와 다릅니다. 세계가 재생 가능 에너지원을 향해 나아가면서 플로우 배터리가 제공하는 그리드 규모의 에너지 저장이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 기술은 풍력, 태양광, 수력 발전에 내재된 재생 에너지 공급의 간헐성을 완화하여 보다 안정적인 전력 시스템을 만드는 데 도움이 됩니다.

전통적인 플로우 배터리 시스템은 별도로 저장된 두 개의 서로 다른 액체 전해질로 구성되며, 이온 선택성 막의 양쪽에서 순환하여 에너지가 필요할 때 전류를 생성합니다. 이 시스템의 장점 중 하나는 고갈된 전해질을 충전된 전해질로 교체하여 "급유"하거나 재충전할 수 있다는 것입니다.

Yale 연구진과 협력하여 PNNL 연구진은 단당인 β-시클로덱스트린을 배터리의 양극액(전해질의 한 유형)에 용해시키기로 결정했습니다. 처음에는 더 많은 플루오레놀(유기 화합물의 일종)을 수성 전해질에 용해시키는 데 도움을 주기 위해 고안된 설탕은 예상치 못한 이점을 가져왔습니다.

용액에 용해된 상태에서 플로우 배터리의 전기화학 반응을 가속화하는 촉매('균질 촉매작용'이라고 불리는 과정)의 첫 번째 사례로서, 베타-사이클로덱스트린은 독특한 추진력을 제공했습니다. 이는 양전하를 띤 양성자를 수용하여 세포막을 가로질러 이동하는 음전하를 띤 전자와 균형을 이룹니다. 이 평형은 반응 속도를 가속화하여 배터리 전력 수준을 무려 60%까지 과급합니다.

전력 출력을 최적화한 후 초점은 장수명으로 옮겨졌습니다. 내구성 테스트 단계에는 1년 동안 배터리를 지속적으로 충전 및 방전하는 작업이 포함되었습니다. 그들은 1년 동안 사용한 후에 배터리의 용량 손실이 미미하다는 사실을 발견했으며, 이는 이미 일반적으로 리튬 배터리보다 긴 놀라운 수명을 입증했습니다.

PNNL 연구자들은 특허를 신청했으며 잠재적으로 보다 효율적인 시스템을 만들기 위해 다른 유사한 화합물을 탐색하고 있습니다. 이 솔루션은 풍부하고 쉽게 합성되는 화합물을 활용하여 제한적이고 잠재적으로 독성이 있는 물질에 대한 의존도를 줄임으로써 보다 지속 가능한 에너지 저장에 대한 희망을 제공합니다.

이 개발은 그리드 규모의 에너지 저장 문제를 해결하기 위해 설계된 PNNL 내의 광범위한 프로그램의 일부를 형성하며 2024년에 예정된 PNNL의 그리드 스토리지 런치패드 출시로 인해 크게 강화될 것입니다. 특히, 이는 이러한 현상을 보여주는 최초의 기록된 플로우 배터리 사례를 나타냅니다. 실험실 조건에서의 내구성을 통해 우리의 에너지 저장 능력을 전 세계적으로 변화시킬 수 있는 길을 열었습니다.

고용량 케톤 기반 플로우 배터리 양극액에 대한 양성자 조절 알코올 산화에 대한 연구는 Joule 저널에 게재되었습니다.