对新一代“液流电池”的开发研究仍任重道远
时间:2018-11-12 17:18来源:材料科技在线 作者:综合报道
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如Redflow公司生产的锌 - 溴体系的商业液流电池，正在帮助补充可再生能源 图片来源：Redflow Limited
电池已经在为各种电子产品、小型应用工具甚至是各种汽车供电。甚至在不久的将来，更加清洁方便的电池便可以帮助维持整个电网运行。随着风能和太阳能的兴起，能源公司正在寻找能够维持在太阳不发光和风退潮时保持电子流动的方法。首先进入科学家眼睛的巨型设备便是液流电池，这是一种使用能够存储足够电力的电解槽，并且可以同时为数千个家庭供电数小时的能量存储器。但是大多数液流电池依赖于钒，这是一种稀有且昂贵的金属，并且这种金属的替代品寿命短且有毒。
上周，研究人员报告说，他们正在研究的具有潜在廉价、长寿命和安全性的液流电池克服了许多上述缺点。这项工作是一系列研究工作的一部分，这些进步令人十分乐观，新一代液流电池将很快成为大规模部署风能和太阳能的后盾。 “现在这个领域取得了很多进展，”德国耶拿大学的化学家Ulrich Schubert如是说道。
锂离子电池，特别是应用于笔记本电脑和特斯拉的电池，在目前的电网规模应用中处于领先地位。锂电池已经在为医院、办公园区甚至城镇提供备用电源。但位于康涅狄格州东哈特福德的联合技术研究中心电化学能源系统副主任Michael Perry表示，它们不能很好地扩展到能为城市提供备用电源所需的更大尺寸。
这就是液流电池的可用之处。它们将电荷储存在液体电解质的罐体中，液体电解质泵送通过电极以提取电子，废电解液返回罐体。当太阳能电池板或涡轮机提供电子时，泵将废电解质推回电极，电解质在电极中再充电并返回到储罐。按比例放大电池以储存更多电力只需更大的电解槽。钒已经成为一种流行的电解质组分，因为这种金属可以在数千次循环中可靠地充电和放电。例如，位于中国大连的荣科动力正在建造世界上最大的钒液流电池，该电池将于2020年正式上线。电池将储存800兆瓦时的能量，足以为数千个家庭供电。市场研究公司Markets and Markets表示，由钒电池和锌溴（另一种品种）引领的液流电池市场将有可能在未来5年内每年增长近10亿美元。
但近年来钒金属价格持续上涨，专家们担心，如果钒需求猛增，价格也将会上涨。犹他州立大学的流动电池专家刘天彪（音）说道：“一种主要的替代方案是用有机化合物代替钒，这些有机分子可以被精确定制，以满足设计师的需求。”但有机物往往会降解并在几个月后需要更换，有些化合物只能使用强力的酸性或碱性电解质，这些电解质可能会损坏泵体，并且有可能会导致罐体泄露，这是非常危险的。
Schubert说，研究人员现在处于有机液流电池的“第二波进展研究”之中。 7月，由哈佛大学材料科学家Michael Aziz领导的一个小组在Joule杂志上报道了他们研究开发的一种长寿命的有机分子，每年仅损失3％的电荷承载能力。刘说，虽然这仍然不够稳定，但与之前的有机液流电池相比，损失量已经非常之低了。
廉价且高效的铁离子是另一种有前途的替代品。例如，俄勒冈州波特兰的一家名为EES的公司正在销售这种电池。但EES的电池需要在pH值为1到4之间电解质里运行。
现在，刘和他的同事们提出了一种在中性pH下运行的液流电池。他们从过去研究过的含铁电解质亚铁氰化物开始。但是在先前的亚铁氰化物电池中，电解质溶解在含有钠盐或钾盐的水中，其提供带正电的离子，其在电池中移动以平衡充电和放电期间的电子运动。亚铁氰化物在这些盐溶液中不易溶解，这大大限制了电池的电化学存储容量。
因此，刘和他的同事们用一种名为铵的氮基化合物取代了这种盐，这种化合物至少可以使亚铁氰化物溶解量提高两倍，从而使电池容量翻倍。得到的电池不像钒液流电池那样能量密集。但在上周的Joule杂志中，刘和他的同事们报告说，他们的铁基有机液流电池在1000次充放电循环后没有出现衰退的迹象，相当于能够稳定运行3年。并且因为电解质是水基的，泄漏也可能不会产生环境损害。
“总的来说，这是一项出色的工作，”新加坡国立大学材料科学家王庆（音）评价道。同时他也警告说，这种电池的充放电都很迟钝。刘和他的同事正在计划测试其他电解质添加剂，以提高电导率。
现在说哪种液流电池电化学体系可以支持未来的可再生电网还为时过早。另一个竞争者使用由含金属的有机化合物制成的电解质，这种电解质被称为多金属氧酸盐，其在相同的体积中储存的能量远远超过竞争对手。例如，在10月10日出版的Nature Chemistry杂志上，由英国格拉斯哥大学的化学家Leroy Cronin领导的研究人员报告了一种多金属氧酸盐液流电池，其储存电荷能力比同样的钒电池高40倍。Cronin表示，目前的缺点是这些电解质具有高度粘性，因此泵送电池更具挑战性。 “今天，仍没有一个液流电池能够满足所有需求，这意味着液流电池方面仍有充足的开发研究空间。” Schubert说。
原文标题：New generation of ‘flow batteries’ could eventually sustain a grid powered by the sun and wind，原文来自：sciencemag
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液流电池
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