科學(xué)家研制出新型流電池

一種利用鋰離子技術(shù)的新型流電池能夠比傳統(tǒng)電池儲存更多的能源。

圖片來源：C. Jia et al., Science Advances (2015)

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)備能夠便宜地存儲大量能源，并將其輸送到電網(wǎng)中時才能實現(xiàn)。而這正是傳統(tǒng)流電池不能做的事。如今，研究人員報告說，他們已經(jīng)研制出一種使用鋰離子技術(shù)的新型流電池，這種電池存儲的能量大約為市場上最常見流電池的10倍。在經(jīng)過一些改進后，新電池將能夠?qū)θ藗兇鎯歪尫拍茉吹姆绞疆a(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，電荷被儲存在名為陽極的電極中。當(dāng)放電時，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行充電——此舉迫使電荷與離子反向流動。

然而在流電池中，電荷被儲存在位于外部液槽的液體電解質(zhì)中。運送電荷的電解質(zhì)能夠隨后被泵送到一個電極組件中，這種組件被稱為疊層，包含了被一個離子導(dǎo)電膜分離的兩個電極。這一裝置使得大量電解質(zhì)能夠被儲存于液槽中。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)存儲大量能源的理想裝置。

如今，最先進的流電池被稱為全釩液流電池(VRBs)，這種電池將電荷儲存在將釩離子溶解于水性溶液的電解質(zhì)中。釩的優(yōu)勢在于其離子穩(wěn)定性，并且能夠在電池中反復(fù)循環(huán)而不會經(jīng)歷不必要的副反應(yīng)。但釩價格昂貴，并且VRBs具有相對較低的能量密度。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。然而很難將這項技術(shù)合并到流電池中。首先，流電池中將兩個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，由新加坡國立大學(xué)材料學(xué)家Qing Wang率領(lǐng)的研究團隊提出了一個混合的解決方案。他們保持了整體的流電池體系結(jié)構(gòu)，即由一個中央電極疊層分離的電荷儲存槽。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)，它有時會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送電荷。固體存儲材料是多孔的，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，將它們運送到膜。

研究人員同時改進了傳統(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)進展》雜志上報告指出，與VRBs相比，這種新型的鋰基流電池按液槽的體積計能夠比前者多儲存10倍的能量。

美國哈佛大學(xué)流電池專家Michael Aziz認為，這是一項“非常具有創(chuàng)新性”的工作。但他強調(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，這對于大多數(shù)應(yīng)用而言太慢了。

Wang和他的同事承認這一局限，但他們表示通過進一步改善膜以及電荷轉(zhuǎn)運氧化還原介質(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，新的鋰基流電池將為可再生能源儲存提供急需的支持。(趙熙熙)

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