Peneliti Stanford telah mengembangkan baterai berbasis air yang dapat menyediakan cara yang murah untuk menyimpan energi angin atau matahari yang dihasilkan di saat matahari bersinar dan angin bertiup sehingga dapat dimasukkan kembali ke dalam jaringan listrik dan didistribusikan ketika diperlukan.

Prototipe baterai mangan-hidrogen, telah dipublikasikan di Nature Energy, tingginya hanya tiga inci dan hanya menghasilkan 20 miliwatt jam listrik, yang setara dengan tingkat energi di lampu senter LED pada gantungan kunci.

Meskipun output prototipe kecil, para peneliti yakin mereka dapat meningkatkan teknologi sederhana ini hingga ke skala industri yang dapat mengisi dan diisi-ulang hingga 10.000 kali, menciptakan baterai skala jaringan dengan daya tahan yang dapat mencapai lebih dari satu dasawarsa.

Yi Cui, seorang profesor ilmu material di Stanford dan penulis senior makalah, mengatakan teknologi baterai mangan-hidrogen bisa menjadi salah satu bagian yang hilang dari teka-teki energi sebuah bangsa – cara untuk menyimpan energi angin atau matahari yang tak terduga sehingga dapat mengurangi keperluan membakar bahan bakar fosil yang memancarkan karbon ketika sumber terbarukan tidak tersedia.

“Apa yang kami lakukan adalah menaburkan garam khusus ke dalam air, lalu menempel di elektroda, dan menciptakan reaksi kimia yang dapat kembali (reversible) yang menyimpan elektron dalam bentuk gas hidrogen,” kata Cui.

Reaksi reversibel adalah reaksi kimia yang dapat berlangsung dalam dua arah. Dengan kata lain, dalam reaksi tersebut tidak hanya reaktan yang dapat berubah menjadi produk, tetapi produkpun bisa berubah kembali menjadi reaktan.

Kimia pintar

Tim yang memimpikan konsep dan membangun prototipe dipimpin oleh Wei Chen, seorang sarjana postdoctoral di laboratorium Cui. Pada intinya, para peneliti membujuk pertukaran elektron reversibel antara air dan mangan sulfat, garam industri yang murah dan melimpah yang digunakan untuk membuat baterai sel kering, pupuk, kertas dan produk lainnya.

Untuk meniru sebagaimana sumber energi angin atau matahari dapat memberikan daya listrik pada baterai, para peneliti memasang sumber daya ke prototipe. Elektron yang mengalir bereaksi dengan mangan sulfat terlarut dalam air untuk meninggalkan partikel mangan dioksida menempel pada elektroda. Kelebihan elektron menjadi gelembung sebagai gas hidrogen sehingga menyimpan energi itu untuk digunakan di masa selanjutnya. Para insinyur sudah hapal cara membuat ulang listrik dari energi yang tersimpan dari gas hidrogen sehingga langkah penting berikutnya adalah membuktikan bahwa baterai berbasis air dapat diisi ulang.

Para peneliti melakukan ini dengan memasang kembali sumber daya mereka ke prototipe baterai yang sudah habis tenaganya, kali ini dengan tujuan menginduksi partikel-partikel mangan dioksida yang menempel di elektroda untuk bergabung dengan air, mengisi garam sulfat mangan. Setelah garam ini dipulihkan, elektron yang masuk menjadi berlebih, dan kelebihan listrik dapat menggelembung sebagai gas hidrogen, dalam proses yang dapat diulang lagi dan lagi dan lagi.

Cui memperkirakan bahwa, mengingat usia pakai baterai berbasis air, dibutuhkan satu sen untuk menyimpan listrik yang cukup untuk menyalakan lampu 100 watt selama dua belas jam.

“Kami percaya teknologi prototipe ini akan dapat memenuhi tujuan Departemen Energi (DOE) untuk penyimpanan listrik skala utilitas praktis,” kata Cui.

DOE telah merekomendasikan baterai untuk skala-skala penyimpanan harus menyimpan dan kemudian melepaskan setidaknya 20 kilowatt daya selama periode satu jam, setidaknya mampu diisi ulang 5.000 kali, dan memiliki daya tahan hingga 10 tahun atau lebih. Untuk membuatnya praktis, sistem baterai seperti itu harus berharga $ 2.000 atau kurang, atau $ 100 per kilowatt jam.

Mantan Sekretaris Departemen Energi dan peraih Hadiah Nobel Steven Chu, sekarang seorang profesor di Stanford, memiliki minat lama dalam mendorong teknologi untuk membantu transisi bangsa ke energi terbarukan.

“Sementara bahan dan desain yang tepat masih membutuhkan pengembangan, prototipe ini menunjukkan jenis sains dan teknik yang menyarankan cara-cara baru untuk mencapai baterai skala utilitas yang murah dan tahan lama,” kata Chu, yang bukan anggota tim peneliti. .

Bergeser menjauh dari karbon

Menurut perkiraan DOE, sekitar 70 persen listrik AS dihasilkan oleh batubara atau pembangkit gas alam, yang merupakan 40 persen emisi karbon dioksida. Pergeseran penggunaan tenaga angin dan pembangkit tenaga surya adalah salah satu cara untuk mengurangi emisi tersebut tetapi menciptakan tantangan baru yang melibatkan variabilitas pasokan listrik. Yang paling jelas, matahari hanya bersinar di siang hari dan, kadang-kadang, angin tidak bertiup.

Tetapi bentuk lain yang kurang dipahami tetapi bentuk variabilitas impor datang dari lonjakan permintaan pada jaringan (jaringan kabel tegangan tinggi yang mendistribusikan listrik ke daerah dan akhirnya ke rumah). Pada hari yang panas, ketika orang-orang pulang kerja dan menghidupkan AC, utilitas harus memiliki strategi load-balancing untuk memenuhi permintaan puncak: beberapa cara untuk meningkatkan pembangkit listrik dalam beberapa menit untuk menghindari pemadaman atau pemadaman listrik yang mungkin mematikan jaringan .

Saat ini, utilitas sering melakukan hal ini dengan menyalakan pembangkit listrik sesuai kebutuhan atau “dapat dilepaskan” yang mungkin menganggur hampir sepanjang hari, tetapi digunakan hanya dalam hitungan menit – menghasilkan energi cepat tetapi meningkatkan emisi karbon. Beberapa utilitas telah mengembangkan keseimbangan beban jangka pendek yang tidak bergantung pada pembakaran bahan bakar fosil. Efek yang paling umum dan biaya strategi tersebut dipompa penyimpanan hidroelektrik: menggunakan kelebihan daya untuk mengirim air ke atas bukit, kemudian membiarkannya mengalir kembali ke bawah untuk menghasilkan energi selama permintaan puncak. Namun, penyimpanan hidroelektrik hanya bekerja di wilayah dengan air dan ruang, sehingga untuk membuat DOE tenaga angin dan matahari lebih berguna telah mendorong baterai kapasitas tinggi sebagai alternatif.

Kapasitas tinggi, biaya rendah

Cui mengatakan ada beberapa jenis teknologi baterai yang dapat diisi ulang di pasaran, tetapi tidak jelas pendekatan mana yang akan memenuhi persyaratan DOE dan membuktikan kepraktisan mereka terhadap utilitas, pembuat peraturan dan pemangku kepentingan lainnya yang menjaga jaringan listrik negara.

Misalnya, Cui mengatakan baterai lithium ion yang dapat diisi ulang, yang menyimpan sejumlah kecil energi yang diperlukan untuk menjalankan ponsel dan laptop, didasarkan pada bahan langka dan dengan demikian terlalu mahal untuk menyimpan listrik untuk lingkungan atau kota. Cui mengatakan penyimpanan skala jaringan membutuhkan baterai berkapasitas rendah, berkapasitas tinggi, dan proses mangan-hidrogen tampaknya menjanjikan.

“Teknologi baterai isi ulang lainnya dengan mudah lebih dari 5 kali dari biaya selama waktu hidup,” tambah Cui.

Chen mengatakan kimia baru, bahan berbiaya rendah dan kesederhanaan relatif membuat baterai mangan-hidrogen ideal untuk penyebaran skala-jaringan berbiaya rendah.

“Terobosan yang kami laporkan di Nature Energy memiliki potensi untuk memenuhi kriteria skala jaringan DOE,” kata Chen.

Prototipe ini membutuhkan pekerjaan pengembangan untuk membuktikan dirinya. Untuk satu hal menggunakan platinum sebagai katalis untuk memacu reaksi kimia penting pada elektroda yang membuat proses pengisian ulang efisien, dan biaya komponen itu akan menjadi penghalang untuk penyebaran skala besar. Tapi Chen mengatakan tim sudah bekerja dengan cara yang lebih murah untuk membujuk sulfat mangan dan air untuk melakukan pertukaran elektron reversibel.

“Kami telah mengidentifikasi katalis yang dapat membawa kita di bawah target DOE $ 100 per kilowatt hour,” katanya.

Para peneliti melaporkan melakukan 10.000 pengisian ulang dari prototipe, yang merupakan dua kali persyaratan DOE, tetapi mengatakan akan perlu untuk menguji baterai mangan-hidrogen di bawah kondisi penyimpanan jaringan listrik yang sebenarnya untuk benar-benar menilai kinerja dan biayanya seumur hidup.

Cui mengatakan dia telah berusaha untuk mematenkan proses melalui Kantor Lisensi Teknologi Stanford, dan berencana untuk membentuk perusahaan untuk mengkomersilkan sistem.(ikons.id)