一種新的流鋰離子電池技術(shù)能夠容納更多的能量在一個(gè)給定的體積比已經(jīng)在市場(chǎng)上。
工業(yè)級(jí)電池,稱為流電池,有一天將廣泛使用可再生能源——但是如果設(shè)備可以廉價(jià)的存儲(chǔ)大量能源，并當(dāng)沒有太陽(yáng)、沒有風(fēng)時(shí)將能源輸運(yùn)給輸電網(wǎng)。這是傳統(tǒng)的流電池不能做到的。現(xiàn)在,研究人員報(bào)告說,他們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)新奇類型的使用鋰離子技術(shù)的流體電池——用于筆記本的那種——是市售最常見的流體電池存儲(chǔ)量的10倍。具有一些改進(jìn)的新電池可以對(duì)我們存儲(chǔ)和釋放能量的方式產(chǎn)生重大影響。
流電池和我們常規(guī)使用的充電電池沒有多大區(qū)別,除了他們規(guī)模巨大外。傳統(tǒng)充電電池中，電荷被存儲(chǔ)在一個(gè)電極稱為陽(yáng)極。當(dāng)充電時(shí),電子從陽(yáng)極脫除,通過外部電路,流入陰極。兩級(jí)間的液體通過離子交換來平衡電荷。電池通過離子的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行充電。
但在流體電池中,這些電荷都存儲(chǔ)在外部槽的液體電解質(zhì)中。帶電電解質(zhì)從被稱為堆棧的含有兩個(gè)被離子導(dǎo)電膜隔離的電極裝置存儲(chǔ)。這個(gè)設(shè)置允許大量的電解質(zhì)存儲(chǔ)在槽內(nèi)。因?yàn)檫@些槽沒有尺寸限制,流體電池的存儲(chǔ)容量可以根據(jù)需要擴(kuò)大。這使他們成為存儲(chǔ)大量的電力能源的理想物質(zhì)。
最先進(jìn)的流體電池是釩氧化還原電池(VRBs),其在含有釩離子的水基溶液電解質(zhì)中儲(chǔ)存電荷。釩的優(yōu)勢(shì)是它的離子是穩(wěn)定的,并可以沒有副反應(yīng)地在電池中循環(huán)。但釩成本很高,并且VRBs能量密度相對(duì)較低。這意味著外部槽必須很大來保持足夠使用的能量。
鋰離子電池能量密度遠(yuǎn)高于VRBs。但很難將它們的技術(shù)合并到流電池。首先,用于隔離流電池中的兩個(gè)電極的薄膜必須允許鋰離子的快速流通來平衡充放電過程中的電荷平衡。目前鋰導(dǎo)電膜雖然很有效，但脆弱;要不就是韌性好，但效率低下。
為了解決這個(gè)問題,由新加坡國(guó)立大學(xué)的材料科學(xué)家研究人員Qing Wang領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),想出了一個(gè)混合的解決方案。他們保持整個(gè)流體電池架構(gòu),通過中心電極堆棧分隔電荷存儲(chǔ)槽。但在他們放置固體的外部槽內(nèi)部——與液體截然相反——鋰離子存儲(chǔ)材料，包含普通鋰離子電池使用的陽(yáng)極磷酸鐵鋰材料，另含有二氧化鈦(TiO2),有時(shí)被用作鋰離子電池陽(yáng)極。然后他們使用被稱為氧化還原介質(zhì)的帶電液體,從固體到堆棧間來回運(yùn)載電荷。固態(tài)存儲(chǔ)材料是多孔足以讓液態(tài)氧化還原介質(zhì)鼓泡并攫取兩個(gè)電極和鋰離子，將它們擺渡到隔離膜。
研究者還修改了傳統(tǒng)的柔性薄膜材料——Nafion,將它與另一種允許鋰離子更好通過的聚合物結(jié)合。這種方法生效了。如他們?cè)?今天的Science Advances報(bào)道的,新型鋰離子流電池與同體積的VRBs相比能夠存儲(chǔ)更多10倍的能量。
這是“很有創(chuàng)新性的”工作, 哈佛大學(xué)流體電池專家Michael Aziz表示。但他補(bǔ)充說,盡管新型電池具有很高的能量密度,但它的傳遞速度比傳統(tǒng)流電池慢10000倍,對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序來說太慢了。王先生和他的同事們承認(rèn)了這一限制,但是他們說他們通過對(duì)隔離膜和電荷傳遞氧化還原介質(zhì)的改善應(yīng)該能夠提高傳遞效率。如果他們可以,新的鋰離子流體電池可以給急需的震動(dòng)電力存儲(chǔ)。新的鋰電池可以給可再生能源存儲(chǔ)帶來急需的震撼。
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