하버드 대학 연구진은 새로운 종류의 배터리를 개발하였다. 이 배터리는 풍력과 태양 에너지와 같은 재생 에너지 소스에서 생산된 전기를 새로운 방법으로 저장하는 기술이다.

 

그 결과, 재생 에너지는 훨씬 더 경제적이고 안정적이 될 것이다. 이들이 발표한 논문은 무금속 플로우 배터리(metal-free flow battery)에 대해서 기술하고 있다.

 

이 배터리는 퀴논(quinones)이라고 불리는 자연적으로 풍부하고, 저렴하며, 탄소에 기반한 작은 유기 분자의 전기화학에 기반하고 있다.

퀴논은 식물과 동물에서 에너지를 저장하는 분자와 유사하다. 일정하지 않은 간헐적인 바람 또는 태양빛은 재생 에너지를 사용하는데 있어서 가장 큰 걸림돌이다.

 

막대한 양의 전기 에너지를 저장할 수 있는 저렴한 방법으로 이런 문제가 해결될 수 있다. 이 배터리는 하버드 대학의 Michael J. Aziz 박사가 이끄는 연구진에 의해서 디자인되고 제작되었다.

 

이 연구진은 배터리에 가장 적합한 물질을 찾기 위해서 10,000개가 넘는 퀴논 분자들의 특성을 계산할 수 있는 대량 처리 용량의 분자 스크리닝 방법을 개발하여 사용하였다.

플로우 배터리는 화학 유체 안에 에너지를 저장한다. 이 유체는 외부 탱크 안에 저장된다. 이것은 배터리 용기 자체 안에 저장되는 것과는 다른 방식이다. 두 개의 주요 성분은 전기화학 변환 하드웨어와 화학 저장 탱크이다.

 

전기 화학 변환 하드웨어를 통해서 유체가 흘러간다. 이런 흐름은 최대 출력 용량을 결정한다. 화학 저장 탱크는 에너지 용량을 결정한다. 이 둘의 크기는 서로 독립적이다.

 

따라서 저장될 수 있는 에너지 양은 단지 탱크의 크기에 의해서만 제한된다. 이 디자인은 전통적인 배터리보다 더 저렴한 가격으로 더 큰 양의 에너지를 저장할 수 있게 해준다.

이에 비해서, 자동차나 모바일 디바이스에서 보통 사용되는 고체 전극 배터리는 전력 변환 하드웨어와 에너지 용량이 하나의 유닛 안에 통합되어 있으며 분리될 수 없다.

 

따라서 그것들은 간헐적인 재생 에너지를 저장하기에 적합하지 않다. 이들 연구진은 그들의 연구가 전기 그리드를 통해서 태양 및 풍력 에너지를 보내기 위해서 필요한 저장 기간이 하루나 이틀이 되어야 한다는 것을 보여주고 있다고 말하였다.

 

예를 들면, 1메가와트 전력 용량의 풍력 터빈으로부터 50시간 동안 에너지를 저장하기 위한 가능한 솔루션은 50 메가와트-시간의 에너지 저장을 가진 전통적인 배터리를 구입하는 것일 것이다.

그러나 이것들은 50메가와트의 전력 용량을 제공할 것이다. 단지 1메가와트만이 필요한데 50메가와트에 대한 전력 용량을 지불하는 것은 경제적인 관점에서 볼 때 경제적이지 못하다.

 

이런 이유로, 많은 엔지니어들이 플로우 배터리 기술에 더 많은 관심을 보이고 있다. 그러나 지금까지, 플로우 배터리는 유지하는데 매우 값비싼 화학 물질에 의존하고 있으며 그 결과 에너지 저장 비용이 증가하였다.

대부분 플로우 배터리에서 전해질의 활성 성분은 금속이다. 바나듐은 대부분의 상업적인 플로우 배터리 기술에 사용되고 있지만, 모든 스케일에서 킬로와트-시간 당 단가가 비교적 높다. 다른 플로우 배터리는 귀금속 전기 촉매를 포함하고 있다.

 

예를 들면, 연료 전지에 사용되고 있는 플라티늄과 같은 것이다. 하버드 대학 연구진에 의해서 개발된 플로우 배터리는 귀금속 전기 촉매를 필요로 하지 않으며 상당히 저렴한 화학 물질을 사용한다.

전기 저장의 전체 세계는 다양한 전하 상태의 금속 이온을 사용하였지만, 용액 안에 넣을 수 있는 종류는 제한되며, 어떤 것도 경제적으로 막대한 양의 재생 에너지를 저장할 수 없다고 연구진은 말하였다. 이들 연구진은 유기 분자로 다양한 새로운 가능성을 도입할 수 있었다. 그 중의 일부는 별로 효과가 없지만 일부는 매우 양호하였다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 많은 응용이 가능한 새로운 물질을 개발할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 퀴논은 정제되지 않은 오일과 녹색 식물에서 풍부하게 존재한다. 하버드 대학 연구진이 사용한 분자는 첫 번째 퀴논 기반 플로우 배터리이다.

 

퀴논은 물에서 용해되며, 이로 인해서 화재가 발생하는 것이 방지된다. 상업용 풍력 터빈에 사용되기 위해서, 거대 저장 탱크가 필요할 것이다. 풍력단지 또는 거대 태양 에너지 발전소 단지에서 우리는 몇 개의 매우 큰 저장 탱크를 상상해 볼 수 있다.

동일한 기술이 소비자 수준에서 응용될 수 있다고 연구진은 말하였다. 일반 가정 지하에 놓은 가정용 보일러 탱크 크기의 디바이스로 지붕위에 설치된 태양 패널에서 발생한 태양 에너지의 하루 사용치를 저장하여 잠재적으로 오후에서 그 다음날 아침까지 어떤 화석 연료도 사용하지 않고 충분히 가동할 수 있는 것을 상상해 볼 수 있을 것이라고 연구진은 덧붙였다. 이들 연구진의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다.

연구진은 이 프로젝트의 다음 단계는 실험실에서 시연된 그들의 시스템을 더 테스트하고 최적화하여 상업화시키는 것이라고 말하였다. 지금까지 100사이클이 넘는 테스트 결과 성능의 저하가 없었지만, 상업용에 사용되기 위해서는 수천 번의 사이클이 필요할 것이라고 말하였다. 연구진은 배터리 시스템의 기반이 되는 화학을 크게 향상시킬 아이디어를 가지고 있다고 말하였다.

3년에 걸친 개발 기간 후에, 코네티컷에 기반한 Sustainable Innovations 회사는 한 개의 유닛 안에 포함된 유기 플로우 배터리의 시연 버전이 배치될 수 있을 것으로 예상하고 있다. 이동이 가능하고 스케일이 커진 저장 시스템은 상업용 빌딩 지붕에 설치된 태양 패널에 연결되어 빌딩에 필요한 전기를 직접적으로 공급하거나 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 해 줄 것이다.

이런 값싼 전기화학전지 디자인과 시스템 아키텍처는 이미 에너지 저장 응용을 위해서 개발 중이다. 연구진은 간헐적인 재생 에너지 저장 문제가 태양이나 바람에서 얻어진 전력을 이용하는 데 있어서 가장 큰 문제점이었다고 말하였다. 안전하고 경제적인 플로우 배터리는 화석 연료에서 재생 에너지 전기로 변환시키는데 있어서 혁신적인 역할을 할 것이라고 덧붙였다.

 

 

A team of Harvard scientists and engineers has demonstrated a new type of battery that could fundamentally transform the way electricity is stored on the grid, making power from renewable energy sources such as wind and sun far more economical and reliable.

 

The Harvard team received funding from the U.S. Department of Energy's Advanced Research Projects Agency — Energy (ARPA-E) to develop the grid-scale battery, and plans to work with the agency to catalyze further technological and market breakthroughs over the next several years.

 

The paper describes a metal-free flow battery that relies on the electrochemistry of naturally abundant, inexpensive, small organic (carbon-based) molecules called quinones, which are similar to molecules that store energy in plants and animals.

 

The mismatch between the availability of intermittent wind or sunshine and the variable demand is the biggest obstacle to using renewable sources for a large fraction of our electricity. A cost-effective means of storing large amounts of electrical energy could solve this problem.

 

The battery was designed, built, and tested in the laboratory of Michael J. Aziz, the Gene and Tracy Sykes Professor of Materials and Energy Technologies at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Roy G. Gordon, the Thomas Dudley Cabot Professor of Chemistry and Professor of Materials Science, led the work on the synthesis and chemical screening of molecules.

 

Alán Aspuru-Guzik, professor of chemistry and chemical biology, used his pioneering high-throughput molecular screening methods to calculate the properties of more than 10,000 quinone molecules in search of the best candidates for the battery.

 

Flow batteries store energy in chemical fluids contained in external tanks, as with fuel cells, instead of within the battery container itself. The two main components — the electrochemical conversion hardware through which the fluids are flowed (which sets the peak power capacity) and the chemical storage tanks (which set the energy capacity) — may be independently sized.

 

Thus the amount of energy that can be stored is limited only by the size of the tanks. The design permits larger amounts of energy to be stored at lower cost than with traditional batteries.

 

By contrast, in solid-electrode batteries, such as those commonly found in cars and mobile devices, the power conversion hardware and energy capacity are packaged together in one unit and cannot be decoupled.

 

Consequently they maintain peak discharge power for less than an hour before they are drained, and are therefore ill-suited to store intermittent renewables.

 

"Our studies indicate that one to two days' worth of storage is required for making solar and wind dispatchable through the electrical grid," said Aziz.

 

To store 50 hours of energy from a 1-megawatt power capacity wind turbine (50 megawatt-hours), for example, a possible solution would be to buy traditional batteries with 50 megawatt-hours of energy storage, but they would come with 50 megawatts of power capacity.

 

Paying for 50 megawatts of power capacity when only 1 megawatt is necessary makes little economic sense. For this reason, a growing number of engineers have focused their attention on flow-battery technology.

 

But until now, flow batteries have relied on chemicals that are expensive or hard to maintain, driving up the cost of storing energy.

 

The active components of electrolytes in most flow batteries have been metals. Vanadium is used in the most commercially advanced flow-battery technology now in development, but it sets a rather high floor on the cost per kilowatt-hour at any scale.

 

Other flow batteries contain precious metal electrocatalysts, such as the platinum used in fuel cells. The new flow battery developed by the Harvard team already performs as well as vanadium flow batteries, with chemicals that are significantly less expensive, and with no precious-metal electrocatalyst.

 

"The whole world of electricity storage has been using metal ions in various charge states, but there is a limited number that you can put into solution and use to store energy, and none of them can economically store massive amounts of renewable energy," Gordon said.

 

"With organic molecules, we introduce a vast new set of possibilities. Some of them will be terrible and some will be really good. With these quinones we have the first ones that look really good."

 

Aspuru-Guzik noted that the project is very well aligned with the White House Materials Genome Initiative. "This project illustrates what the synergy of high-throughput quantum chemistry and experimental insight can do," he said.

 

"In a very quick time period, our team homed in to the right molecule. Computational screening, together with experimentation, can lead to discovery of new materials in many application domains."

 

Quinones are abundant in crude oil as well as in green plants. The molecule the Harvard team used in its first quinone-based flow battery is almost identical to one found in rhubarb. The quinones are dissolved in water, which prevents them from catching fire.

 

To back up a commercial wind turbine, a large storage tank would be needed, possibly located in a below-grade basement, said co-lead author Michael Marshak, a postdoctoral fellow at SEAS and in the Department of Chemistry and Chemical Biology. With a whole field of turbines or a large solar farm, one could imagine a few very large storage tanks.

 

The same technology could also have applications at the consumer level, Marshak said. "Imagine a device the size of a home heating-oil tank sitting in your basement.

 

It would store a day's worth of sunshine from the solar panels on the roof of your house, potentially providing enough to power your household from late afternoon, through the night, into the next morning, without burning any fossil fuels."

 

"The Harvard team's results published in Nature demonstrate an early, yet important technical achievement that could be critical in furthering the development of grid-scale batteries," said ARPA-E Program Director John Lemmon.

 

"The project team's result is an excellent example of how a small amount of catalytic funding from ARPA-E can help build the foundation to hopefully turn scientific discoveries into low-cost, early-stage energy technologies."

 

Team leader Aziz said the next steps in the project will be to further test and optimize the system that has been demonstrated on the benchtop and bring it toward a commercial scale.

 

"So far, we've seen no sign of degradation after more than 100 cycles, but commercial applications require thousands of cycles," he said. He also expects to achieve significant improvements in the underlying chemistry of the battery system.

 

"I think the chemistry we have right now might be the best that's out there for stationary storage and quite possibly cheap enough to make it in the marketplace," he said. "But we have ideas that could lead to huge improvements."

 

By the end of the three-year development period, Connecticut-based Sustainable Innovations, LLC, a collaborator on the project, expects to deploy demonstration versions of the organic flow battery contained in a unit the size of a horse trailer.

 

The portable, scaled-up storage system could be hooked up to solar panels on the roof of a commercial building, and electricity from the solar panels could either directly supply the needs of the building or go into storage and come out of storage when needed.

 

Sustainable Innovations anticipates playing a key role in the product's commercialization by leveraging its ultra-low-cost electrochemical cell design and system architecture already under development for energy storage applications.

 

"The intermittent renewables storage problem is the biggest barrier to getting most of our power from the sun and the wind," Aziz said. "A safe and economical flow battery could play a huge role in our transition off fossil fuels to renewable electricity. I'm excited that we have a good shot at it."