桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratory)的研究人員開發(fā)出一系列新的液體鹽電解質(zhì),就是所謂的邁提爾溶液(MetILs),制成的電池經(jīng)濟有效,存儲能量比目前的電池高三倍以上。
這項研究發(fā)表在《道爾頓會刊》(Dalton Transactions)上,可帶來一些設(shè)備,有助于經(jīng)濟可靠地集成大規(guī)模間歇性可再生能源,如太陽能和風能,使并入全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新的液體鹽電解質(zhì),可制成電池,能量密度提高三倍,勝過現(xiàn)有的其他存儲技術(shù)。這些所謂的邁提爾溶液(MetILs),從左至右依次為:銅基化合物,鈷基化合物,錳基化合物,鐵基化合物,鎳基化合物和釩基化合物。來源:桑迪亞國家實驗室
電網(wǎng)的設(shè)計是用于穩(wěn)定的能源,這樣,因為波動電力源自間歇性可再生能源,所以就很難適應。更好的能量存儲技術(shù)可平衡這些流動的波動能源,而桑迪亞國家實驗室的研究人員正在研究新的方法,開發(fā)更靈活、更具成本效益也更可靠的電網(wǎng),以提高能源儲存。
“美國和全世界都需要極大地突破電池技術(shù),用可再生能源取代今天的碳基能源系統(tǒng),”安東尼·梅迪納(AnthonyMedina)說,他是桑迪亞國家實驗室高能成分實現(xiàn)項目主任。“邁提爾溶液是一種新的、有前途的化學電池,可能帶來下一代的電站蓄電池技術(shù),取代鉛酸電池和鋰離子電池,帶來極大的能量存儲密度,進行這些應用。”
過去20年來,鋰離子電池一直是前沿性的儲能研究。它們結(jié)構(gòu)緊湊,輕巧的設(shè)計非常適合用于手機,筆記本電腦和個人電子產(chǎn)品,但鋰離子電池價格昂貴,而且退化問題妨礙它們進入電站高容量應用,就是用于全國電網(wǎng)。
桑迪亞國家實驗室研究員和無機化學家特拉維斯·安德森(Travis Anderson)帶領(lǐng)一個小組,開發(fā)出下一代液流電池。這種液流電池泵抽一種溶液,就是自由浮動的帶電荷的金屬離子,這種離子溶解在電解液中,溶液中自由浮動的離子可以導電,溶液從外部容器穿過電化學電池,把化學能轉(zhuǎn)換成電能。液流電池可快速充放電,只需改變電解液的充電狀態(tài),這種電活性物質(zhì)很容易重復使用多次。安德森說,液流電池可以維持超過14000次循環(huán),這是在實驗室,相當于20多年的能量儲存,在鋰離子電池中,這是不尋常的。
然而,液流電池電網(wǎng)存儲系統(tǒng),大致上尺寸相當于一所房子,成本超過同樣的鋰離子電池。研究人員的目標,是使液流電池體積更小,更便宜,同時增加給定的體積能量存儲,或能量密度。
液流電池已經(jīng)實地應用于美國、日本和澳大利亞。大量的系統(tǒng),高達25兆瓦都處在演示階段,根據(jù)《美國恢復和再投資法案》(ARRA:American Recovery and Reinvestment Act),管理者是能源部能源存儲系統(tǒng)研究項目。鋅溴和釩氧化還原系統(tǒng)(Zincbromine and vanadium redox systems)是最大的競爭者。但所用的材料具有中等毒性,釩具有很大的價格波動。此外,水溶液限制了可以溶解的物質(zhì)數(shù)量,以及可以儲存多少能量,而且,室外溫度會降低性能。
桑迪亞國家實驗室開創(chuàng)性地研究液流電池,可避免這些問題,因為不使用水。安德森組建了一個多學科小組,專家來自一些實驗室,包括電化學大衛(wèi)·英格索蘭(David Ingersoll),有機化學家乍得·斯泰格(Chad Staige),化學技師哈里·普拉特(Harry Pratt)和喬納森·倫納德(Jonathan Leonard)。他們所設(shè)計的,是一種新型電化學可逆的、金屬基離子液體,或叫邁提爾溶液(MetILs),采用的都是廉價無毒的材料,在美國很容易買到,如鐵,銅,錳。
“不是把鹽溶解到溶劑中,我們的鹽就是一種溶劑,”安德森說。“我們可得到非常高濃度的活性金屬,因為我們不受飽和的限制。它實際上就在公式中。因此,我們可以經(jīng)濟有效地增加三倍的能量密度,這可大大降低電池所需的尺寸,只是因為材料的性質(zhì)。”
電化學效率,或反向充電性能,在邁提爾溶液中要高得多,遠遠超過迄今公布的其他任何東西。研究小組已經(jīng)制備了近200種組合的陽離子、陰離子和配體以及這類物質(zhì),其中有五種超過二茂鐵(ferrocene)的電化學效率,這效率長期以來一直被認為是黃金標準。
一個共同問題是,混合帶正電荷和帶負電荷的成分,這些成分就會開始聚集在一起,最終使溶液變?yōu)檎承,堵塞電池膜和電極表面。研究小組解決了這一挑戰(zhàn),他們開發(fā)出不對稱的陽離子,或者帶正電的離子,這種離子就像一個足球。在這個比喻中,黑色的五邊形代表帶負電荷的區(qū)域,白色的六邊形代表正電荷的區(qū)域。這種排列降低了熔點,因為可防止離子液體成分鍵合,形成固體,同時,部分電荷仍使電子可以自由流動,穿過電池,產(chǎn)生電流。
研究小組資金來自美國能源部電力傳輸和能源可靠性辦公室(Officeof Electricity Delivery and Energy Reliability)。伊姆雷·古柯(Imre Gyuk)是這一辦公室的能源儲存系統(tǒng)項目經(jīng)理,一直支持桑迪亞國家實驗室的這項工作,而且提供了必要的資金。
“邁提爾溶液方法代表了一種巧妙的現(xiàn)成的溶液,是一種陰極/電解質(zhì)聚合體。古柯說,“因為是采用現(xiàn)成的,價格低廉的前體,因此,它很可能帶來創(chuàng)新的、成本劃算的存儲系統(tǒng),會極大地影響整個美國電網(wǎng)。”
這一研究結(jié)果適用于新的液流電池正極材料。桑迪亞國家實驗室的小組下一步是找到類似材料,用于液流電池陽極,研究人員對他們的進步感到鼓舞。
“安德森說,”有三個因素,你需要同時考慮,而且,它們并不總是相關(guān):這就是粘度,電導率和基本電化學效率。“讓人興奮的,是讓三個因素同時都合適,這就像是尋找寶藏,但沒有地圖。我們正在創(chuàng)造這幅地圖,我們非常興奮,有這種可能性。”