新型液體電池能量密度提高三倍
2012-08-04 16:15:29 本站原創桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratory)的研究人員開發出一系列新的液體鹽電解質，就是所謂的邁提爾溶液(MetILs)，制成的電池經濟有效，存儲能量比目前的電池高三倍以上。
這項研究發表在《道爾頓會刊》(Dalton Transactions)上，可帶來一些設備，有助于經濟可靠地集成大規模間歇性可再生能源，如太陽能和風能，使并入全國電網。
桑迪亞國家實驗室的研究人員發現一種新的液體鹽電解質，可制成電池，能量密度提高三倍，勝過現有的其他存儲技術。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：桑迪亞國家實驗室
電網的設計是用于穩定的能源，這樣，因為波動電力源自間歇性可再生能源，所以就很難適應。更好的能量存儲技術可平衡這些流動的波動能源，而桑迪亞國家實驗室的研究人員正在研究新的方法，開發更靈活、更具成本效益也更可靠的電網，以提高能源儲存。
“美國和全世界都需要極大地突破電池技術，用可再生能源取代今天的碳基能源系統，”安東尼·梅迪納(AnthonyMedina)說，他是桑迪亞國 家實驗室高能成分實現項目主任。“邁提爾溶液是一種新的、有前途的化學電池，可能帶來下一代的電站蓄電池技術，取代鉛酸電池和鋰離子電池，帶來極大的能量 存儲密度，進行這些應用。”
過去20年來，鋰離子電池一直是前沿性的儲能研究。它們結構緊湊，輕巧的設計非常適合用于手機，筆記本電腦和個人電子產品，但鋰離子電池價格昂貴，而且退化問題妨礙它們進入電站高容量應用，就是用于全國電網。
桑迪亞國家實驗室研究員和無機化學家特拉維斯·安德森(Travis Anderson)帶領一個小組，開發出下一代液流電池。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 由浮動的離子可以導電，溶液從外部容器穿過電化學電池，把化學能轉換成電能。液流電池可快速充放電，只需改變電解液的充電狀態，這種電活性物質很容易重復 使用多次。安德森說，液流電池可以維持超過14000次循環，這是在實驗室，相當于20多年的能量儲存，在鋰離子電池中，這是不尋常的。
然而，液流電池電網存儲系統，大致上尺寸相當于一所房子，成本超過同樣的鋰離子電池。研究人員的目標，是使液流電池體積更小，更便宜，同時增加給定的體積能量存儲，或能量密度。
液流電池已經實地應用于美國、日本和澳大利亞。大量的系統，高達25兆瓦都處在演示階段，根據《美國恢復和再投資法案》 (ARRA：American Recovery and Reinvestment Act)，管理者是能源部能源存儲系統研究項目。鋅溴和釩氧化還原系統(Zincbromine and vanadium redox systems)是最大的競爭者。但所用的材料具有中等毒性，釩具有很大的價格波動。此外，水溶液限制了可以溶解的物質數量，以及可以儲存多少能量，而 且，室外溫度會降低性能。
桑迪亞國家實驗室開創性地研究液流電池，可避免這些問題，因為不使用水。安德森組建了一個多學科小組，專家來自一些實驗室，包括電化學大衛·英格索 蘭(David Ingersoll)，有機化學家乍得·斯泰格(Chad Staige)，化學技師哈里·普拉特(Harry Pratt)和喬納森·倫納德(Jonathan Leonard)。他們所設計的，是一種新型電化學可逆的、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。“我們可得到非常高濃度的活性金屬，因為我們不受飽和的限制。它實際上就在公式中。因此，我們可以經濟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，只是因為材料的性質。”
電化學效率，或反向充電性能，在邁提爾溶液中要高得多，遠遠超過迄今公布的其他任何東西。研究小組已經制備了近200種組合的陽離子、陰離子和配體以及這類物質，其中有五種超過二茂鐵(ferrocene)的電化學效率，這效率長期以來一直被認為是黃金標準。
一個共同問題是，混合帶正電荷和帶負電荷的成分，這些成分就會開始聚集在一起，最終使溶液變為粘性，堵塞電池膜和電極表面。研究小組解決了這一挑 戰，他們開發出不對稱的陽離子，或者帶正電的離子，這種離子就像一個足球。在這個比喻中，黑色的五邊形代表帶負電荷的區域，白色的六邊形代表正電荷的區 域。這種排列降低了熔點，因為可防止離子液體成分鍵合，形成固體，同時，部分電荷仍使電子可以自由流動，穿過電池，產生電流。
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存系統項目經理，一直支持桑迪亞國家實驗室的這項工作，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成的溶液，是一種陰極/電解質聚合體。古柯說，“因為是采用現成的，價格低廉的前體，因此，它很可能帶來創新的、成本劃算的存儲系統，會極大地影響整個美國電網。”
這一研究結果適用于新的液流電池正極材料。桑迪亞國家實驗室的小組下一步是找到類似材料，用于液流電池陽極，研究人員對他們的進步感到鼓舞。
“安德森說，”有三個因素，你需要同時考慮，而且，它們并不總是相關：這就是粘度，電導率和基本電化學效率。“讓人興奮的，是讓三個因素同時都合適，這就像是尋找寶藏，但沒有地圖。我們正在創造這幅地圖，我們非常興奮，有這種可能性。”
