美國開發新型電池隔膜技術：可用于制造經濟高效可靠的液流電池！
時間:2019-11-13 12:27來源:IntelligentThings 作者:John Zhang
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背景
我們如何才能存儲可再生能源，在有需要的時候可以用得上，甚至是在沒有陽光或者刮風的時候？為了解決這個問題，人們為電網設計了巨型電池，也稱為“液流電池”，它能將電能存儲在液體電解質中。但是到目前為止，電力公司還未能找到一種經濟、高效、可靠的電池，跨越10年至20年的生命周期，為幾千個家庭供電。
創新
近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員開發的一項電池隔膜技術，將為妥善解決這個問題提供一種方案。
正如在《Joule》期刊所報道的，研究人員們利用一種稱為“AquaPIMs”的聚合物，開發出一款多功能且便宜的電池隔膜。這種聚合物可制造持久耐用、成本低廉的柵極電池。這種電池有可能單單基于可輕易獲取的材料，例如鋅、鐵與水。團隊也開發出一個簡單的模型，從而展示不同的電池膜是如何影響電池生命周期的。這個模型有望加速流體電池技術的早期研發，特別是為不同電池化學物質尋找合適的薄膜。
技術
聯合儲能研究中心（JCESR）首席研究員、伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家、這項研究的領導者 Brett Helms 表示：“我們的 AquaPIM 隔膜技術采用了可擴展、低成本的水基化學物質，有利于加速流體電池的市場開發。采用我們的技術，配合電池性能與生命周期的經驗模型，其他研究人員可評估電池中每個組件的情況，從隔膜到儲能材料。這將為研究人員以及產品開發者節省時間與資源。”
大多數柵極電池的化學物質具有高度堿性的電極，一側是帶正電的正極，另一側是帶負電的陰極。但是，目前最先進的隔膜是為酸性化學物質而設計的，例如燃料電池中的氟化膜，但不適用于堿性流體電池。（在化學中，pH值是溶液中氫離子濃度的一種度量。純水的pH值為7，呈中性。從另一方面說，堿性溶液的氫離子濃度較低，因此具有較高的pH值，或者說pH值高于7。在堿性電池中，pH值可以高達14或者15。）
氟化聚合物薄膜也是非常昂貴的。據 Helms 稱，它們占據了電池成本的 15%到20%，可以在300美元/千瓦時的范圍內運行。
Helms 研究組的研究生研究員、論文第一作者 Miranda Baran 表示，降低流體電池成本的一項方案就是消除整個氟化聚合物膜，采用一種高性能的便宜替代品，例如 AquaPIMs。Baran 也是加州大學伯克利分校化學系的博士生。
Helms 以及論文合著者們開發了 AquaPIM 技術（它代表“天生具有微孔的水溶性聚合物”），同時與JCESR首席研究員、麻省理工學院材料科學與工程系教授 Yet-Ming Chiang 一起合作為堿性水溶液開發聚合物膜。
研究人員通過這些早期實驗學習到，通過一種稱為“酰胺肟”的特殊化學物質修改隔膜，可以使得離子在正負極之間迅速移動。
之后，研究人員們通過不同柵極電池化學物質評估 AquaPIM 膜的性能與兼容性。例如，一個實驗采用鋅作為負極，鐵基化合物作為正極。與此同時，研究人員們還發現 AquaPIM 隔膜帶來極其穩定的堿性電池。
此外，他們還發現 AquaPIM 原型產品保留了正極和負極中的電荷存儲材料的完整性。當研究人員們在伯克利實驗室的先進光源（ALS）描述薄膜特征時，他們發現這些特征對于 AquaPIM 的不同變種來說是通用的。
然后，Baran 及其合作者們測試了 AquaPIM 膜如何與堿性電解質一起工作。他們在這個實驗中發現，在堿性條件下，聚合物綁定的酰胺肟是穩定的，令人驚訝的是，這種有機材料在高pH值條件下特別穩定。
Helms 解釋道，這種穩定性防止了 AquaPIM 膜的孔坍塌，使之可隨著時間推移保持導電性，且不喪失任何性能，而商用的含氟聚合物膜會像料想的那樣坍塌，從而有損其離子傳輸特性。
（左）：AquaPIM 由特種的聚合物制成，它能在高pH值的情況下變得離子化，生成可高度導電并具有高度選擇性的孔。（右）這種材料可以被塑造成各種形狀，例如一種獨立式的膜。（圖片來源：Brett Helms/Berkeley Lab）
與伯克利實驗室分子鑄造廠執行主任、JCESR 首席研究員、博士后 David Prendergast 一起工作的博士后研究員 Artem Baskin 的理論研究也進一步證實了這種行為。
Baskin 利用伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心（NERSC）的計算資源模擬了AquaPIM 膜，并發現組成膜的聚合物結構在堿性電解質中的高堿性條件下，抗塌孔能力很強。
在通過各種柵極電池化學物質評估 AquaPIM 膜的性能與兼容性的同時，研究人員們開發了一個模型，將電池的性能與各種膜的性能聯系起來。這種模型能夠預料流體電池的生命周期和效率，并且無需構造整個設備。他們也演示了相似的模型可以應用于其他的電池化學物質以及它們的膜。
Helms 表示：“一般來說，你必須等待數周或者數月，來搞清楚電池在組裝成整個單元后可以維持工作多久。通過采用簡單且快速的薄膜篩選，你可以將這個時間縮減至幾小時或者幾天。”
未來
研究人員的下一個計劃是將 AquaPIM 膜應用于更廣泛的水流體化學物質，從金屬和無機物到有機物和聚合物。他們也強調，這些膜與其他的堿性鋅電池兼容，包括那些采用氧、氧化錳或者金屬有機框架作為正極的電池。
(責任編輯：子蕊)
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