科學家研制出新型流電池 可多儲存10倍電量

科學家研制出新型流電池 可多儲存10倍電量

被稱為流電池的工業規模的電池有朝一日將開辟可再生能源的廣泛使用，但這只有在這些設備能夠便宜地存儲大量能源，并將其輸送到電網中時才能實現。而這正是傳統流電池不能做的事。如今，研究人員報告說，他們已經研制出一種使用鋰離子技術的新型流電池，這種電池存儲的能量大約為市場上最常見流電池的10倍。在經過一些改進后，新電池將能夠對人們存儲和釋放能源的方式產生重要影響。

流電池與人們都在使用的充電電池沒有什么大的區別，除了它們巨大的體積。在傳統充電電池中，電荷被儲存在名為陽極的電極中。當放電時，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中。運送電荷的電解質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電膜分離的兩個電極。這一裝置使得大量電解質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需要按比例放大。這也就使得它們成為為輸電網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中。釩的優勢在于其離子穩定性，并且能夠在電池中反復循環而不會經歷不必要的副反應。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，由新加坡國立大學材料學家Qing Wang率領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構，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——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柔性膜材料，被稱為全氟磺酸，并將其與另一種聚合物結合在一起，從而能夠更好地讓鋰離子通過。該方法已經奏效。研究人員在11月27日的《科學進展》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。

美國哈佛大學流電池專家Michael Aziz認為，這是一項“非常具有創新性”的工作。但他強調，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流電池的1/10000，這對于大多數應用而言太慢了。

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運氧化還原介質，應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。

（立）