新型液體電池能量密度提高三倍
2012-08-16
鋰電世界佚名8510核心提示： 中國電池網(wǎng) 桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory）的研究人員開發(fā)出一系列新的液體鹽電解質(zhì)，就是所謂的邁提爾溶液（MetILs），制成的電池經(jīng)濟(jì)有效，存儲(chǔ)能量比目前的電池高三倍以上。 這項(xiàng)研究
鋰電世界 桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory）的研究人員開發(fā)出一系列新的液體鹽電解質(zhì)，就是所謂的邁提爾溶液（MetILs），制成的電池經(jīng)濟(jì)有效，存儲(chǔ)能量比目前的電池高三倍以上。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《道爾頓會(huì)刊》（Dalton Transactions）上，可帶來一些設(shè)備，有助于經(jīng)濟(jì)可靠地集成大規(guī)模間歇性可再生能源，如太陽能和風(fēng)能，使并入全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新的液體鹽電解質(zhì)，可制成電池，能量密度提高三倍，勝過現(xiàn)有的其他存儲(chǔ)技術(shù)。這些所謂的邁提爾溶液（MetILs），從左至右依次為：銅基化合物，鈷基化合物，錳基化合物，鐵基化合物，鎳基化合物和釩基化合物。來源：桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室
電網(wǎng)的設(shè)計(jì)是用于穩(wěn)定的能源，這樣，因?yàn)椴▌?dòng)電力源自間歇性可再生能源，所以就很難適應(yīng)。更好的能量存儲(chǔ)技術(shù)可平衡這些流動(dòng)的波動(dòng)能源，而桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在研究新的方法，開發(fā)更靈活、更具成本效益也更可靠的電網(wǎng)，以提高能源儲(chǔ)存。
“美國和全世界都需要極大地突破電池技術(shù)，用可再生能源取代今天的碳基能源系統(tǒng)，”安東尼•梅迪納（AnthonyMedina）說，他是桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室高能成分實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目主任?！斑~提爾溶液是一種新的、有前途的化學(xué)電池，可能帶來下一代的電站蓄電池技術(shù)，取代鉛酸電池和鋰離子電池，帶來極大的能量存儲(chǔ)密度，進(jìn)行這些應(yīng)用?！?/SPAN>
過去20年來，鋰離子電池一直是前沿性的儲(chǔ)能研究。它們結(jié)構(gòu)緊湊，輕巧的設(shè)計(jì)非常適合用于手機(jī)，筆記本電腦和個(gè)人電子產(chǎn)品，但鋰離子電池價(jià)格昂貴，而且退化問題妨礙它們進(jìn)入電站高容量應(yīng)用，就是用于全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究員和無機(jī)化學(xué)家特拉維斯•安德森（Travis Anderson）帶領(lǐng)一個(gè)小組，開發(fā)出下一代液流電池。這種液流電池泵抽一種溶液，就是自由浮動(dòng)的帶電荷的金屬離子，這種離子溶解在電解液中，溶液中自由浮動(dòng)的離子可以導(dǎo)電，溶液從外部容器穿過電化學(xué)電池，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。液流電池可快速充放電，只需改變電解液的充電狀態(tài)，這種電活性物質(zhì)很容易重復(fù)使用多次。安德森說，液流電池可以維持超過14000次循環(huán)，這是在實(shí)驗(yàn)室，相當(dāng)于20多年的能量儲(chǔ)存，在鋰離子電池中，這是不尋常的。
然而，液流電池電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)，大致上尺寸相當(dāng)于一所房子，成本超過同樣的鋰離子電池。研究人員的目標(biāo)，是使液流電池體積更小，更便宜，同時(shí)增加給定的體積能量存儲(chǔ)，或能量密度。
液流電池已經(jīng)實(shí)地應(yīng)用于美國、日本和澳大利亞。大量的系統(tǒng)，高達(dá)25兆瓦都處在演示階段，根據(jù)《美國恢復(fù)和再投資法案》（ARRA：American Recovery and Reinvestment Act），管理者是能源部能源存儲(chǔ)系統(tǒng)研究項(xiàng)目。鋅溴和釩氧化還原系統(tǒng)（Zincbromine and vanadium redox systems）是最大的競(jìng)爭者。但所用的材料具有中等毒性，釩具有很大的價(jià)格波動(dòng)。此外，水溶液限制了可以溶解的物質(zhì)數(shù)量，以及可以儲(chǔ)存多少能量，而且，室外溫度會(huì)降低性能。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)性地研究液流電池，可避免這些問題，因?yàn)椴皇褂盟０驳律M建了一個(gè)多學(xué)科小組，專家來自一些實(shí)驗(yàn)室，包括電化學(xué)大衛(wèi)•英格索蘭（David Ingersoll），有機(jī)化學(xué)家乍得•斯泰格（Chad Staige），化學(xué)技師哈里•普拉特（Harry Pratt）和喬納森•倫納德（Jonathan Leonard）。他們所設(shè)計(jì)的，是一種新型電化學(xué)可逆的、金屬基離子液體，或叫邁提爾溶液（MetILs），采用的都是廉價(jià)無毒的材料，在美國很容易買到，如鐵，銅，錳。
“不是把鹽溶解到溶劑中，我們的鹽就是一種溶劑，”安德森說?！拔覀兛傻玫椒浅８邼舛鹊幕钚越饘伲?yàn)槲覀儾皇茱柡偷南拗?。它?shí)際上就在公式中。因此，我們可以經(jīng)濟(jì)有效地增加三倍的能量密度，這可大大降低電池所需的尺寸，只是因?yàn)椴牧系男再|(zhì)。”
電化學(xué)效率，或反向充電性能，在邁提爾溶液中要高得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過迄今公布的其他任何東西。研究小組已經(jīng)制備了近200種組合的陽離子、陰離子和配體以及這類物質(zhì)，其中有五種超過二茂鐵（ferrocene）的電化學(xué)效率，這效率長期以來一直被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)。
一個(gè)共同問題是，混合帶正電荷和帶負(fù)電荷的成分，這些成分就會(huì)開始聚集在一起，最終使溶液變?yōu)檎承?，堵塞電池膜和電極表面。研究小組解決了這一挑戰(zhàn)，他們開發(fā)出不對(duì)稱的陽離子，或者帶正電的離子，這種離子就像一個(gè)足球。在這個(gè)比喻中，黑色的五邊形代表帶負(fù)電荷的區(qū)域，白色的六邊形代表正電荷的區(qū)域。這種排列降低了熔點(diǎn)，因?yàn)榭煞乐闺x子液體成分鍵合，形成固體，同時(shí)，部分電荷仍使電子可以自由流動(dòng)，穿過電池，產(chǎn)生電流。
研究小組資金來自美國能源部電力傳輸和能源可靠性辦公室（Officeof Electricity Delivery and Energy Reliability）。伊姆雷•古柯（Imre Gyuk）是這一辦公室的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理，一直支持桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)工作，而且提供了必要的資金。
“邁提爾溶液方法代表了一種巧妙的現(xiàn)成的溶液，是一種陰極/電解質(zhì)聚合體。古柯說，“因?yàn)槭遣捎矛F(xiàn)成的，價(jià)格低廉的前體，因此，它很可能帶來創(chuàng)新的、成本劃算的存儲(chǔ)系統(tǒng)，會(huì)極大地影響整個(gè)美國電網(wǎng)。”
這一研究結(jié)果適用于新的液流電池正極材料。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的小組下一步是找到類似材料，用于液流電池陽極，研究人員對(duì)他們的進(jìn)步感到鼓舞。
“安德森說，”有三個(gè)因素，你需要同時(shí)考慮，而且，它們并不總是相關(guān)：這就是粘度，電導(dǎo)率和基本電化學(xué)效率。“讓人興奮的，是讓三個(gè)因素同時(shí)都合適，這就像是尋找寶藏，但沒有地圖。我們正在創(chuàng)造這幅地圖，我們非常興奮，有這種可能性?！?/SPAN>
這項(xiàng)研究發(fā)表在《道爾頓會(huì)刊》（Dalton Transactions）上，可帶來一些設(shè)備，有助于經(jīng)濟(jì)可靠地集成大規(guī)模間歇性可再生能源，如太陽能和風(fēng)能，使并入全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新的液體鹽電解質(zhì)，可制成電池，能量密度提高三倍，勝過現(xiàn)有的其他存儲(chǔ)技術(shù)。這些所謂的邁提爾溶液（MetILs），從左至右依次為：銅基化合物，鈷基化合物，錳基化合物，鐵基化合物，鎳基化合物和釩基化合物。來源：桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室
電網(wǎng)的設(shè)計(jì)是用于穩(wěn)定的能源，這樣，因?yàn)椴▌?dòng)電力源自間歇性可再生能源，所以就很難適應(yīng)。更好的能量存儲(chǔ)技術(shù)可平衡這些流動(dòng)的波動(dòng)能源，而桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在研究新的方法，開發(fā)更靈活、更具成本效益也更可靠的電網(wǎng)，以提高能源儲(chǔ)存。
“美國和全世界都需要極大地突破電池技術(shù)，用可再生能源取代今天的碳基能源系統(tǒng)，”安東尼•梅迪納（AnthonyMedina）說，他是桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室高能成分實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目主任?！斑~提爾溶液是一種新的、有前途的化學(xué)電池，可能帶來下一代的電站蓄電池技術(shù)，取代鉛酸電池和鋰離子電池，帶來極大的能量存儲(chǔ)密度，進(jìn)行這些應(yīng)用?！?/SPAN>
過去20年來，鋰離子電池一直是前沿性的儲(chǔ)能研究。它們結(jié)構(gòu)緊湊，輕巧的設(shè)計(jì)非常適合用于手機(jī)，筆記本電腦和個(gè)人電子產(chǎn)品，但鋰離子電池價(jià)格昂貴，而且退化問題妨礙它們進(jìn)入電站高容量應(yīng)用，就是用于全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究員和無機(jī)化學(xué)家特拉維斯•安德森（Travis Anderson）帶領(lǐng)一個(gè)小組，開發(fā)出下一代液流電池。這種液流電池泵抽一種溶液，就是自由浮動(dòng)的帶電荷的金屬離子，這種離子溶解在電解液中，溶液中自由浮動(dòng)的離子可以導(dǎo)電，溶液從外部容器穿過電化學(xué)電池，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。液流電池可快速充放電，只需改變電解液的充電狀態(tài)，這種電活性物質(zhì)很容易重復(fù)使用多次。安德森說，液流電池可以維持超過14000次循環(huán)，這是在實(shí)驗(yàn)室，相當(dāng)于20多年的能量儲(chǔ)存，在鋰離子電池中，這是不尋常的。
然而，液流電池電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)，大致上尺寸相當(dāng)于一所房子，成本超過同樣的鋰離子電池。研究人員的目標(biāo)，是使液流電池體積更小，更便宜，同時(shí)增加給定的體積能量存儲(chǔ)，或能量密度。
液流電池已經(jīng)實(shí)地應(yīng)用于美國、日本和澳大利亞。大量的系統(tǒng)，高達(dá)25兆瓦都處在演示階段，根據(jù)《美國恢復(fù)和再投資法案》（ARRA：American Recovery and Reinvestment Act），管理者是能源部能源存儲(chǔ)系統(tǒng)研究項(xiàng)目。鋅溴和釩氧化還原系統(tǒng)（Zincbromine and vanadium redox systems）是最大的競(jìng)爭者。但所用的材料具有中等毒性，釩具有很大的價(jià)格波動(dòng)。此外，水溶液限制了可以溶解的物質(zhì)數(shù)量，以及可以儲(chǔ)存多少能量，而且，室外溫度會(huì)降低性能。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)性地研究液流電池，可避免這些問題，因?yàn)椴皇褂盟０驳律M建了一個(gè)多學(xué)科小組，專家來自一些實(shí)驗(yàn)室，包括電化學(xué)大衛(wèi)•英格索蘭（David Ingersoll），有機(jī)化學(xué)家乍得•斯泰格（Chad Staige），化學(xué)技師哈里•普拉特（Harry Pratt）和喬納森•倫納德（Jonathan Leonard）。他們所設(shè)計(jì)的，是一種新型電化學(xué)可逆的、金屬基離子液體，或叫邁提爾溶液（MetILs），采用的都是廉價(jià)無毒的材料，在美國很容易買到，如鐵，銅，錳。
“不是把鹽溶解到溶劑中，我們的鹽就是一種溶劑，”安德森說?！拔覀兛傻玫椒浅８邼舛鹊幕钚越饘伲?yàn)槲覀儾皇茱柡偷南拗?。它?shí)際上就在公式中。因此，我們可以經(jīng)濟(jì)有效地增加三倍的能量密度，這可大大降低電池所需的尺寸，只是因?yàn)椴牧系男再|(zhì)。”
電化學(xué)效率，或反向充電性能，在邁提爾溶液中要高得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過迄今公布的其他任何東西。研究小組已經(jīng)制備了近200種組合的陽離子、陰離子和配體以及這類物質(zhì)，其中有五種超過二茂鐵（ferrocene）的電化學(xué)效率，這效率長期以來一直被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)。
一個(gè)共同問題是，混合帶正電荷和帶負(fù)電荷的成分，這些成分就會(huì)開始聚集在一起，最終使溶液變?yōu)檎承?，堵塞電池膜和電極表面。研究小組解決了這一挑戰(zhàn)，他們開發(fā)出不對(duì)稱的陽離子，或者帶正電的離子，這種離子就像一個(gè)足球。在這個(gè)比喻中，黑色的五邊形代表帶負(fù)電荷的區(qū)域，白色的六邊形代表正電荷的區(qū)域。這種排列降低了熔點(diǎn)，因?yàn)榭煞乐闺x子液體成分鍵合，形成固體，同時(shí)，部分電荷仍使電子可以自由流動(dòng)，穿過電池，產(chǎn)生電流。
研究小組資金來自美國能源部電力傳輸和能源可靠性辦公室（Officeof Electricity Delivery and Energy Reliability）。伊姆雷•古柯（Imre Gyuk）是這一辦公室的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理，一直支持桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)工作，而且提供了必要的資金。
“邁提爾溶液方法代表了一種巧妙的現(xiàn)成的溶液，是一種陰極/電解質(zhì)聚合體。古柯說，“因?yàn)槭遣捎矛F(xiàn)成的，價(jià)格低廉的前體，因此，它很可能帶來創(chuàng)新的、成本劃算的存儲(chǔ)系統(tǒng)，會(huì)極大地影響整個(gè)美國電網(wǎng)。”
這一研究結(jié)果適用于新的液流電池正極材料。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的小組下一步是找到類似材料，用于液流電池陽極，研究人員對(duì)他們的進(jìn)步感到鼓舞。
“安德森說，”有三個(gè)因素，你需要同時(shí)考慮，而且，它們并不總是相關(guān)：這就是粘度，電導(dǎo)率和基本電化學(xué)效率。“讓人興奮的，是讓三個(gè)因素同時(shí)都合適，這就像是尋找寶藏，但沒有地圖。我們正在創(chuàng)造這幅地圖，我們非常興奮，有這種可能性?！?/SPAN>
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