محققان در آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام (PNNL) باتری جریان مینیاتوری به اندازه یک کارت بازی طراحی کرده‌اند که هدف آن تسریع کشف مواد جدید برای ذخیره‌سازی انرژی است. این رویکرد می‌تواند به کاهش هزینه‌ها و وابستگی به سایر کشورها برای امنیت انرژی کمک کند.
با توجه به اینکه کشورها به دنبال تغییر به منابع انرژی پاک‌تر هستند، تقاضا برای راهکارهای قابل اطمینان ذخیره‌سازی انرژی نیز افزایش یافته است. در حالی که سوخت‌های فسیلی دارای چگالی انرژی بالا هستند که می‌توان از آن بهره برد، انرژی تجدیدپذیر تولید شده از نیروگاه‌های بادی و خورشیدی می‌تواند تنها در راه‌حل‌های ذخیره‌سازی با چگالی انرژی نسبتی پایین مانند باتری‌ها ذخیره شود.
پیشرفت‌های اخیر در ذخیره‌سازی انرژی به توسعه باتری‌های لیتیوم-یونی منجر شده است. با این حال، استقرار آنها در مقیاس بزرگ هزینه‌بر است و به دنبال راه‌حل‌های کم‌هزینه‌تر هستند. در اینجا باتری‌های جریان می‌توانند مفید باشند.
باتری‌های جریان چیستند؟
یک باتری جریان یک باتری الکتروشیمیایی است که انرژی در پیوندهای شیمیایی اما از دو مایع که در مخازن جداگانه ذخیره می‌شوند، ذخیره می‌شود. هنگامی که به یک مدار خارجی متصل شود، انرژی می‌تواند به الکتریسیته تبدیل شود تا دستگاه‌ها یا حتی شبکه را تغذیه کند، بستگی به خروجی توان باتری دارد.
از آنجایی که باتری‌های جریان از الکترولیت‌های مایعی استفاده می‌کنند که به صورت خارجی ذخیره می‌شوند، می‌توان آنها را به آسانی برای برآوردن نیازهای انرژی مختلف افزایش داد. با این حال، این فناوری به صورت مقیاس تجاری قابل اعزام نیست زیرا چگالی انرژی آن هنوز پایین‌تر از باتری‌های لیتیوم-یونی است، در حالی که هزینه‌های مواد مورد نیاز هنوز بالاست.
علاوه بر این، مواد مورد نیاز برای باتری‌های جریان باید از خارج از ایالات متحده منبع‌دهی شوند که خطر را برای امنیت انرژی افزایش می‌دهد. این موضوع باعث شده است تا به دنبال مواد جدید برای باتری‌های جریان برای رفع کاستی‌های آنها جستجو شود.
باتری جریان مینی چگونه می‌تواند کمک کند؟
کشف مواد برای هر کاربردی یک فرایند بسیار زمان‌بر است زیرا نیاز به بسیاری از آزمایشات و خطاها دارد. این فرایند شامل مراحل مختلفی است که زمان زیادی می‌گیرد اما مهم‌تر از همه، نیاز است تا ماده به اندازه گرم سنتز شود.
محققان در PNNL یک باتری جریان به اندازه یک کارت بازی توسعه داده‌اند که به طرز قابل توجهی میزان مواد مورد نیاز برای فرآیند آزمایش را کاهش داده و وقت و منابع ارزشمند را ذخیره می‌کند، اما همچنان نتایج قابل اطمینانی ارائه می‌دهد.
روژو فنگ، دانشمند مواد در PNNL که در این تحقیق شرکت داشته، گفت: "در حال حاضر، ما باید مقدار زیادی ماده آماده کنیم زمانی که فرمول باتری جدیدی شناسایی کنیم، و این زمان زیادی می‌طلبد. این سیستم جریان مینی می‌تواند تعیین کند که آیا یک ماده پیشنهادی جدید با تنها مقدار کمی — میلی‌گرم — کار می‌کند یا نه."
طراحی به منظور کمک به آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در غربال‌گری و توسعه سریع مواد جدید و تایید پایداری آنها هدف‌گیری شده است. برای نشان‌دادن اینکه سیستم کوچکتر کارایی برابر با یک باتری جریان معمولی دارد، محققان تست‌های گسترده‌ای را بر روی طیف وسیعی از شیمی مواد و غلظت‌ها انجام دادند، به گفته بیانیه مطبوعاتی .
یکی از نکات استفاده از چنین سیستمی این است که نیاز به مواد با خلوص بالا دارد، در غیر این صورت ممکن است با ناخالصی‌ها مسدود شود.
فنگ افزود: "این گزارش اولین گام است که نشان می‌دهد که کاهش مقیاس سیستم تجربی ما کار می‌کند. هدف نهایی ما این است که توانایی‌های AI و روباتیک را به این فرایند بیاوریم تا آزمون طرح‌های جدید باتری جریان را خودکار و شتاب بخشیم."
یافته‌های تحقیقاتی در Journal of The Electrochemical Society منتشر شد.
