你如何储存可再生能源,所以当你需要它的时候,即使太阳没有照耀,风也没有吹过?为电网设计的巨型电池-所谓的流动电池,将电力储存在液体电解质罐中-可能是答案,但到目前为止,公用事业公司还没有找到一种成本效益高的电池,可以在10至20年的生命周期内可靠地为数千户家庭供电。
现在,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的研究人员开发的电池膜技术可能指向一个解决方案。
正如焦耳杂志所报道的那样,研究人员从一类称为AquaPIMs的聚合物中开发了一种多功能但负担得起的电池膜。这类聚合物使长期和低成本的电网电池成为可能,完全基于现成的材料,如锌,铁和水。该小组还开发了一个简单的模型,显示不同的电池膜如何影响电池的寿命,预计这将加速流动电池技术的早期研发,特别是在寻找适合不同电池化学的膜方面。
“我们的AquaPIM膜技术定位很好,可以加速使用可伸缩、低成本、水基化学物质的流动电池的市场发展,”能源储存研究联合中心(JCESR)的首席研究员、伯克利实验室分子铸造公司的工作人员科学家布雷特·赫尔姆斯说。“通过利用我们的技术和相应的电池性能和寿命经验模型,其他研究人员将能够快速评估进入电池的每个部件的准备状态,从膜到电荷储存材料。这将为研究人员和产品开发人员节省时间和资源。
大多数栅极电池化学物质都有高碱性(或碱性)电极-一边是带正电荷的阴极,另一边是带负电荷的阳极。但目前最先进的膜是为酸性化学物质设计的,如燃料电池中的氟化膜,而不是碱性流动电池。在化学中,pH是衡量溶液氢离子浓度的指标。纯水的pH为7,被认为是中性的..酸性溶液具有高浓度的氢离子,被描述为具有低pH,或pH低于7。另一方面,碱性溶液具有低浓度的氢离子,因此具有高pH,或高于7的pH。在碱性电池中,pH可高达14或15。
氟化聚合物膜也很昂贵。根据Helms的说法,它们可以占电池成本的15%至20%,可以在300/kWh$范围内运行。
赫尔姆斯研究小组的研究生研究员、该研究的主要作者MirandaBaran说,降低流动电池成本的一个方法是彻底消除含氟聚合物膜,并提出一种性能高、价格便宜的替代方案,如AquaPIMs。巴兰也是博士。加州大学伯克利分校化学系D.名学生。
回到基本生活
赫尔姆斯和合著者发现了AquaPIM技术,即“本征微孔的水相容聚合物”,同时开发了水碱性(或碱性)体系的聚合物膜,作为与合著者蒋尚明合作的一部分,蒋尚明是JCESR的首席研究员,也是麻省理工学院材料科学和工程教授。
通过这些早期的实验,研究人员了解到,用一种名为“酰胺肟”的外来化学物质修饰的膜可以使离子地在阳极和阴极之间移动。
后来,在评估AquaPIM膜性能和与不同网格电池化学物质的相容性时-例如,一个实验装置以锌为阳极,以铁基化合物为阴极-研究人员发现AquaPIM膜导致了非常稳定的碱性细胞。
此外,他们发现AquaPIM原型保留了阴极和阳极中电荷储存材料的完整性。当研究人员对伯克利实验室高级光源(ALS)的膜进行表征时,研究人员发现这些特征在AquaPIM变体中是普遍存在的。
然后,Baran和她的合作者测试了AquaPIM膜在碱性水电解质中的性能。在本实验中,他们发现,在碱性条件下,聚合物结合的氨基肟是稳定的-考虑到有机材料在高pH时通常不稳定,这是一个令人惊讶的结果。
这种稳定性阻止了AquaPIM膜孔隙的塌陷,从而使它们保持导电,而随着时间的推移,性能没有任何损失,而商用氟聚合物膜的孔隙如预期的那样塌陷,从而损害了其离子传输特性,Helms解释说。
这一行为进一步得到了与DavidPrendergast合作的博士后研究员ArtemBaskin的理论研究的证实,他是伯克利实验室分子铸造公司的代理总监,也是JCESR的首席研究员,与蒋和Helms一起工作。
巴斯金利用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源模拟了AquaPIM膜的结构,发现组成该膜的聚合物的结构在碱性电解质中具有明显的抗孔塌陷能力。
更好的电池的屏幕测试
在评估AquaPIM膜性能和与不同网格电池化学物质的兼容性时,研究人员开发了一个模型,将电池的性能与各种膜的性能联系起来。该模型可以预测流动电池的寿命和效率,而不必构建整个设备。他们还表明,类似的模型可以应用于其他电池化学和它们的膜。
“通常情况下,如果不是几个月,你就得等几个星期才能弄清楚整个电池组装后电池的续航时间。通过使用一个简单而快速的膜筛网,你可以把它缩短到几个小时或几天。
研究人员接下来计划将AquaPIM膜应用于更广泛的水流电池化学领域,从金属和无机物到有机物和聚合物。他们还预计,这些膜与其他碱性锌水电池兼容,包括使用氧气、锰氧化物或金属-有机骨架作为阴极的电池。
来自伯克利实验室、加州大学伯克利分校、麻省理工学院和意大利理工学院的研究人员参加了这项研究。