賈旭平

美國PNNL開發(fā)出新型低成本液流電池

賈旭平

近日，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)開發(fā)出了一種新型有機(jī)水性液流電池，有望大幅降低現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)釩基液流電池的成本達(dá)60％。該液流電池采用低成本、可持續(xù)合成的有機(jī)分子，而不是現(xiàn)有液流電池中通常使用的金屬。有機(jī)水性液流電池一旦技術(shù)成熟，每千瓦時(shí)的成本據(jù)估計(jì)為＄180，且其可以直接替代現(xiàn)有液流電池。

根據(jù)全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫的結(jié)果顯示，目前世界上79％的液流電池都是釩基液流電池，其在一段時(shí)間內(nèi)都將是液流電池的標(biāo)準(zhǔn)，但是未來液流電池的發(fā)展是要降低成本，所以就需要找到替換這種昂貴金屬的替代物，如有機(jī)物，因此本文所提的有機(jī)水性液流電池就有了市場(chǎng)前景。該新型電池的一大亮點(diǎn)就是將傳統(tǒng)液流電池中的過渡金屬元素變成了合成分子，這也使得液流電池的成本更多的與制造成本相關(guān)聯(lián)，而不是先前的金屬價(jià)格。電池中使用的水性液體電解液也可以直接用于當(dāng)前的液流電池中，因此使用者可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，僅需簡(jiǎn)單地替換現(xiàn)有昂貴的電解液即可。

有機(jī)水性液流電池

圖1　MV/4-HO-TEMPO有機(jī)水性還原液流電池的工作原理圖

??????????????????????? ??????(?? ???/????? ??/V ???/ (Wh?L ?? ?? ????/ (mA?cm PbSO SO AQDS/Br SO AQDS/BQDS 　0.76 　4.1 　12 　8 　H Nafion112 MV/4-HO-TEMPO 　1.25 　8.4 　100 　60 　NaCl 　AME

PNNL新型液流電池的兩大主要特色電解液為：甲基紫精(methyl viologen，MV)負(fù)極電解液和4-HO-TEMPO正極電解液。第三種輔助電解液含有氯化鈉，其中的氯離子有助于電池放電。圖1為MV/4-HO-TEMPO有機(jī)水性還原液流電池的工作原理圖。表1為各種有機(jī)還原液流電池的性能比較。

電池測(cè)試情況

研究人員測(cè)試了一款小型600 mW的電池。100次循環(huán)后性能穩(wěn)定，在20～100 mA/cm2的電流密度下轉(zhuǎn)換效率幾乎達(dá)到100％，放電電流密度為60 mA/cm2時(shí)具有優(yōu)良的容量保持率。電池采用1.0 mol/L的NaCl水溶液作輔助電解液，再使用0.1 mol/L的 MV2+Cl2作負(fù)極電解液，0.1 mol/L的4-HO-TEMPO作正極電解液，所得理論比容量為2.68 Ah/L，比能量為3.35 Wh/L。充放電截止電壓分別為1.70和3.35 V。電池的循環(huán)過程可直觀地從圖1看出，在還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)，活性材料均經(jīng)歷了顏色的變化。在充電態(tài)MV2+Cl2呈淺橙色，而MV+Cl呈深紫色。而放電態(tài)的 4-HO-TEMPO溶液和充電態(tài)的4-HO-TEMPO溶液分別呈橙紅色和黃色。在電流密度變化范圍為20～100 mA/cm2(增量為20 mA/cm2)，檢測(cè)了電池的倍率性能。循環(huán)倍率的增加導(dǎo)致輸出容量降低：20 mA/cm2時(shí)為0.094 Ah，30 mA/cm2時(shí)為0.082 Ah(輸出了87％的容量)，40 mA/cm2時(shí)為0.053 Ah(輸出了56％的容量)，輸出容量降低可能是由于歐姆損失增大造成的。圖2A為不同放電倍率下的充放電電壓曲線，圖2B為隨著倍率的增加電壓效率(VE)和能量效率(EE)呈下降趨勢(shì)。電壓效率在20 mA/cm2時(shí)為83.3％、40 mA/cm2時(shí)為70.9％、60 mA/cm2時(shí)為60.1％、80 mA/cm2時(shí)為51.1％、100 mA/cm2時(shí)為45.2％。EE也表現(xiàn)出了同樣的變化趨勢(shì)，因?yàn)樵谶@些倍率下庫侖效率仍超過99％。在40 mA/cm2下研究人員還進(jìn)行了連續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)。MV2+Cl2/4-HO-TEMPO電池具有非常卓越的循環(huán)性能，如圖2B所示。100次循環(huán)后，容量保持率超過99％，每次循環(huán)的容量損失可忽略不計(jì)。整個(gè)循環(huán)過程中，庫侖效率幾乎達(dá)到100％。圖2C中的插圖為MV/4-HO-TEMPO電池在40 mA/cm2下的充放電循環(huán)曲線。穩(wěn)定的充放電電壓出現(xiàn)在1.38 V。

目前研究人員計(jì)劃制作一款更大的測(cè)試電池，以檢測(cè)電池是否能滿足美國典型家用負(fù)載的峰值(高達(dá)5 kW)。另外，研究人員還試圖提高電池的循環(huán)性能，這樣電池就可以在更長的時(shí)間里存儲(chǔ)能量而無需更換電解液。

液流電池原理

圖2　A　不同放電倍率下的充放電電壓曲線；圖2B庫侖效率、電壓效率(VE)和能量效率(EE)與電池電流密度的關(guān)系；圖2C在40 mA/cm2下容量和庫侖效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

液流電池是一種通過兩種帶有相反電荷(電解質(zhì))的液體交換離子，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的可循環(huán)使用電池。當(dāng)需要能量的時(shí)候，正負(fù)極電解液由各自的送液泵強(qiáng)制通過各自反應(yīng)室循環(huán)流動(dòng)，參與電化學(xué)反應(yīng)。充電時(shí)電池外接電源，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中；放電時(shí)電池外接負(fù)載，將儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供負(fù)載使用。

液流電池與鋰離子電池相比更安全、更具擴(kuò)展性，其能耐更高的溫度，也可存放更長的時(shí)間。由于具有上述特性，所以液流電池可更好地存儲(chǔ)和釋放可再生能源，如太陽能和風(fēng)能，尤其適合家用。

鏈接

目前該液流電池面臨一個(gè)強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，那就是哈佛大學(xué)新近開發(fā)的類似產(chǎn)品。哈佛大學(xué)的電池采用的是醌(一種光合作用中自然出現(xiàn)的化學(xué)品)和氰亞鐵酸鹽(通常用作食品添加劑)，效率與PNNL的相當(dāng)，壽命更長，但是能量密度要比PNNL的設(shè)計(jì)低。

CJPS