一种新方法有望大规模储存间歇性可再生能源

GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

通过用线电极和管状膜代替传统的液流电池中的扁平电极和膜，研究人员已经将电池的尺寸缩小了75%。这种面积和复杂性的减少可以降低液流电池的成本，而液流电池是在电网上存储可再生能源的主要领跑者。

根据国际能源署（International Energy Agency）的数据，太阳能和风能的增长速度比以往任何时候都快。在保证稳定的前提下，为了使这些间歇性能源成为电网的常规部分，将需要电池大规模储存能量。

液流电池是一种很有前途的技术。与锂离子电池在固体电极中储存能量不同，液流电池将化学能储存在储槽中的液体电解质中。这些储存的电荷在电力模块中转换成电流（反之亦然），该电力模块是大量电化学电池。

每个电池都有一个正电极和一个负电极，由一层膜隔开，当电池充电和放电时，该膜允许某些离子通过。为了操作电池，两种电解质被泵送通过反应堆电池的两侧。

理论上，通过增加水箱的尺寸，液流电池可以很容易地扩大到兆瓦时。它们也可以具有更长的寿命，并且比锂离子更安全。不过，它们的成本仍然很高，每千瓦时的资本成本约为800美元，是锂离子电池的两倍多。佐治亚理工学院化学和生物分子工程教授Nian Liu表示：“但它们可以便宜得多，我们的工作加速了这一过程。”

Liu和他的同事专注于重新设计电源模块，它占了液流电池成本的40%。今天的细胞仍然基于几十年前的平端板、电极和膜的结构。它们还有一些非活动部件，如框架、橡胶垫圈、双极板和流量分配器，它们占据了电池的大部分体积，降低了电池的功率密度。“他们也让它很贵，”Liu说，“而且它们不是必需的。”

该团队从化学分离行业“借”来的新电池配置消除了这些组件。在他们的设计中，0.65毫米宽的管由离子传输材料Nafion制成，充当膜。研究人员将碳纤维阴极穿过管子。然后，他们将其中四根管子放在一根更大的2毫米塑料管内，并将一根锌丝穿过，作为阳极。在操作过程中，团队通过外部塑料管泵送一种电解液，通过内部四个较小的管泵送另一种电解液。

在这种设计中，电极和膜之间的距离从平面电池中常见的几毫米下降到不到一毫米，从而提高了功率密度。Liu说：“我们把这个东西做得非常紧凑。所以我们使用更少的材料来实现相同的性能。更少的材料意味着更便宜。”

使用锌碘化学（液流电池技术中常用的化学成分之一）进行的概念验证测试表明，电池的充电密度约为1322瓦/升电解质，放电密度约为306W/L。对于传统的平面电池，这些数字分别低于60W/L和45W/L。研究人员于1月3日在《美国国家科学院院刊》（https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2213528120#executive-summary-abstract）上报道，这种电池持续了超过2500次充电循环，并与其他典型的液流电池化学成分兼容。

Liu估计，管状设计应该可以将液流电池功率模块的成本降低大约一半。此外，电池中的所有组件都是现成的，扩大反应堆电池的设计应该很容易，因为它是基于化学工业中常用的设计。

他预计液流电池的总成本在未来几年会下降。他说，目前已经有很多关于改善电解质的研究在进行，“而且人们也开始考虑回收电解质。如果这一点得到证实，那么电解质的成本可以大大降低。”

该团队将很快与一家液流电池公司签署研究合同，该公司将赞助进一步的研究，以扩大管状液流电池的规模并对其进行基准测试，并在更大的系统层面上分析设计。