研究人员为清洁能源制造更小更便宜的液流电池

清洁能源是应对气候变化的主要解决方案。但是太阳能和风能在为可靠的电网提供足够的能量方面并不一致。或者，锂离子电池可以储存能量，但它是一种有限的资源。

“燃煤电厂的优势在于非常稳定，” 佐治亚理工学院助理教授刘年说。“如果电源像清洁能源一样波动，就会更难管理，那么我们如何使用储能设备或系统来消除这些波动呢?”

液流电池提供了一种解决方案。电解质从该可充电电池的储罐流过电化学电池。现有的液流电池技术成本超过 200 美元/千瓦时，对于实际应用而言过于昂贵，但刘在 化学与生物分子工程学院 (ChBE) 的实验室开发了一种更紧凑的液流电池配置，将电池的尺寸减小了75%，相应地降低了整个液流电池的尺寸和成本。这项工作可能会彻底改变从主要商业建筑到住宅的一切供电方式。

全佐治亚理工学院的研究团队在《美国国家科学院院刊》上的论文“具有超高体积功率密度的亚毫米束微管液流电池”一文中发表了他们的发现 。

找到流程

液流电池得名于发生电子交换的液流电池。他们的传统设计，平面电池，需要笨重的流量分配器和垫圈，增加了尺寸和成本，但降低了整体性能。电池本身也很昂贵。为了减少占地面积和成本，研究人员专注于提高流通池的体积功率密度(W/L-of-cell)。

他们转向了化学分离中常用的配置——亚毫米、束状微管 (SBMT) 膜——由称为中空纤维的纤维状滤膜制成。这项创新具有节省空间的设计，可以减轻离子穿过膜的压力，而无需额外的支持基础设施。

ChBE 教授Ryan Lively说：“我们对电池隔膜几何形状对液流电池性能的影响很感兴趣 。”“我们意识到中空纤维赋予分离膜的优势，并着手实现这些优势在电池领域的优势。”

应用这一概念，研究人员开发了一种 SMBT，可将膜间距离缩短近 100 倍。设计中的微管膜同时充当电解液分配器，无需大型支撑材料。成束的微管缩短了电极和膜之间的距离，从而增加了体积功率密度。这种捆绑设计是最大化液流电池潜力的关键发现。

为电池供电

为了验证他们的新电池配置，研究人员使用了四种不同的化学物质：钒、溴化锌、溴化醌和碘化锌。尽管所有化学物质都具有功能性，但其中两种是最有希望的。钒是最成熟的化学物质，但也不太容易获得，而且它的还原形式在空气中不稳定。他们发现碘化锌是能量密度最高的选择，使其成为住宅单元最有效的选择。与锂相比，碘化锌具有许多优势：它的供应链问题较少，还可以转化为氧化锌并溶解在酸中，使其更容易回收。

这种用于这种独特形状液流电池的电化学解决方案被证明比传统的平面电池更强大。

土木与环境工程学院助理教授 谢星说：“有限元分析也证明了SMBT的优越性能 。这种模拟方法也将应用于我们未来的电池性能优化和缩放研究中向上。”

使用碘化锌化学物质，电池可以运行超过 220 小时，或者在非高峰条件下运行 > 2,500 个循环。通过使用回收电解液，它还有可能将成本从每千瓦时 800 美元降低到不到 200 美元。

建设能源的未来

研究人员已经在致力于商业化，专注于开发具有不同化学成分(如钒)的电池并扩大其尺寸。缩放将需要提出一个自动化的过程来制造一个中空纤维模块，现在是手工完成的，一个纤维接一个纤维。他们最终希望将电池部署在 佐治亚理工学院位于科技广场的 1.4 兆瓦微电网 中，该项目旨在测试微电网与电网的集成，并为教授和学生提供生活实验室。

SBMT 电池还可以应用于电解和燃料电池等不同的储能系统。该技术甚至可以通过各种应用中的先进材料和不同化学物质得到加强。

“这项创新非常受应用驱动，”刘说。“我们需要通过增加可再生能源在我们能源生产中的比例来实现碳中和，而目前，这一比例还不到 15%。我们的研究可能会改变这一点。”