科學(xué)家研制出新型流電池 可多儲(chǔ)存10倍電量

被稱為流電池的工業(yè)規(guī)模的電池有朝一日將開辟可再生能源的廣泛使用，但這只有在這些設(shè)備能夠便宜地存儲(chǔ)大量能源，并將其輸送到電網(wǎng)中時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。而這正是傳統(tǒng)流電池不能做的事。如今，研究人員報(bào)告說，他們已經(jīng)研制出一種使用鋰離子技術(shù)的新型流電池，這種電池存儲(chǔ)的能量大約為市場(chǎng)上最常見流電池的10倍。在經(jīng)過一些改進(jìn)后，新電池將能夠?qū)θ藗兇鎯?chǔ)和釋放能源的方式產(chǎn)生重要影響。

流電池與人們都在使用的充電電池沒有什么大的區(qū)別，除了它們巨大的體積。在傳統(tǒng)充電電池中，電荷被儲(chǔ)存在名為陽極的電極中。當(dāng)放電時(shí)，電子被拉出陽極，連通它們工作的外部電路，并返回名為陰極的第二個(gè)電極。電極之間的液體電解質(zhì)輸送離子通過電池從而使電荷保持平衡。電池可以通過插上電源進(jìn)行充電——此舉迫使電荷與離子反向流動(dòng)。

然而在流電池中，電荷被儲(chǔ)存在位于外部液槽的液體電解質(zhì)中。運(yùn)送電荷的電解質(zhì)能夠隨后被泵送到一個(gè)電極組件中，這種組件被稱為疊層，包含了被一個(gè)離子導(dǎo)電膜分離的兩個(gè)電極。這一裝置使得大量電解質(zhì)能夠被儲(chǔ)存于液槽中。由于這些液槽沒有體積限制，因此一部流電池的存儲(chǔ)能力可以根據(jù)需要按比例放大。這也就使得它們成為為輸電網(wǎng)存儲(chǔ)大量能源的理想裝置。

如今，最先進(jìn)的流電池被稱為全釩液流電池（VRBs），這種電池將電荷儲(chǔ)存在將釩離子溶解于水性溶液的電解質(zhì)中。釩的優(yōu)勢(shì)在于其離子穩(wěn)定性，并且能夠在電池中反復(fù)循環(huán)而不會(huì)經(jīng)歷不必要的副反應(yīng)。但釩價(jià)格昂貴，并且VRBs具有相對(duì)較低的能量密度。這也就意味著外部液槽必須相當(dāng)大才能夠保持有用的足夠功率。

與VRBs相比，鋰離子電池具有高得多的能量密度。然而很難將這項(xiàng)技術(shù)合并到流電池中。首先，流電池中將兩個(gè)電極分離的膜必須能夠顧及到鋰離子的快速通道，從而在充放電過程中保持電荷平衡。目前的鋰導(dǎo)電膜有效但脆弱，或靈活但效率低下。

為了解決這一問題，由新加坡國(guó)立大學(xué)材料學(xué)家Qing Wang率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)混合的解決方案。他們保持了整體的流電池體系結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)中央電極疊層分離的電荷儲(chǔ)存槽。但是在外部液槽的內(nèi)部，研究人員放置了與液體完全相反的固體鋰存儲(chǔ)材料，一種含有常見的鋰離子電池陰極材料，名為磷酸鐵鋰（LiFePO4）；另一種含有二氧化鈦（TiO2），它有時(shí)會(huì)被用作鋰離子電池的陽極。研究人員隨后使用帶電液體——被稱為氧化還原介質(zhì)——從固體到疊層并來回運(yùn)送電荷。固體存儲(chǔ)材料是多孔的，足以使液體氧化還原介質(zhì)沸騰通過，并抓住電子和鋰離子，將它們運(yùn)送到膜。

研究人員同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)柔性膜材料，被稱為全氟磺酸，并將其與另一種聚合物結(jié)合在一起，從而能夠更好地讓鋰離子通過。該方法已經(jīng)奏效。研究人員在11月27日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告指出，與VRBs相比，這種新型的鋰基流電池按液槽的體積計(jì)能夠比前者多儲(chǔ)存10倍的能量。

美國(guó)哈佛大學(xué)流電池專家Michael Aziz認(rèn)為，這是一項(xiàng)“非常具有創(chuàng)新性”的工作。但他強(qiáng)調(diào)，盡管新電池具有更高的能量密度，但它提供能量的速度只是傳統(tǒng)流電池的1/10000，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言太慢了。

Wang和他的同事承認(rèn)這一局限，但他們表示通過進(jìn)一步改善膜以及電荷轉(zhuǎn)運(yùn)氧化還原介質(zhì)，應(yīng)該能夠提高輸出流量。如果研究人員真的做到這一點(diǎn)，新的鋰基流電池將為可再生能源儲(chǔ)存提供急需的支持。

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