与时俱进科学家设计用于可再生能源的新型网格电池

2019-11-12 16:30:05

您如何存储可再生能源,以便在需要时即使在太阳不发光或风不吹动的情况下也可以使用?可以为电网设计的巨型电池(称为液流电池,可以将其存储在液体电解质罐中)可以解决问题,但是到目前为止,公用事业公司尚未找到一种经济有效的电池,可以在整个生命周期中为数千个家庭可靠地供电。 10至20年。

现在,由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员开发的电池 膜技术可能指向解决方案。

如《焦耳》杂志所报道的那样,研究人员从一类称为AquaPIM的聚合物中开发了一种通用且价格合理的电池膜。这类聚合物仅基于容易获得的材料(例如锌,铁和水),就可以使耐用且低成本的栅格电池成为可能。该团队还开发了一个简单的模型,显示了不同的电池膜如何影响电池的寿命,这有望加快流式电池技术的早期研发,尤其是在寻找适合不同电池化学性质的膜时。

联合储能研究中心(JCESR)首席研究员布雷特·赫姆斯(Brett Helms)表示:“我们的AquaPIM膜技术处于有利位置,可加快使用可扩展,低成本水基化学物质的液流电池进入市场的速度。以及负责这项研究的伯克利实验室分子铸造研究所的科学家。“通过使用我们的技术和随附的电池性能和寿命的经验模型,其他研究人员将能够快速评估从电池膜到电荷存储材料进入电池的每个组件的就绪状态。这将节省时间和资源。对于研究人员和产品开发人员都是如此。”

大多数网格电池化学物质具有高度碱性(或碱性)的电极-一侧带正电的阴极,另一侧带负电的阳极。但是,当前最先进的膜设计用于酸性化学物质,例如燃料电池中的氟化膜,但不适用于碱性液流电池。(在化学中,pH值是溶液中氢离子浓度的量度。纯净水的pH值为7,被认为是中性的。酸性溶液中氢离子的浓度很高,被描述为具有低pH值,或者pH值低于7。另一方面,碱性溶液的氢离子浓度较低,因此pH值较高,或者pH值高于7。在碱性电池中,pH值可以高达14或15。)

氟化聚合物膜也很昂贵。根据Helms的说法,它们可以构成电池成本的15%到20%,价格范围为$ 300 / kWh。

Helms研究小组的研究生研究员Miranda Baran表示,降低流动电池成本的一种方法是完全消除氟化聚合物膜,并提出高性能但便宜的替代品,例如AquaPIM。作者。Baran还是博士。加州大学伯克利分校化学系学生。

伯克利实验室的科学家使用一种称为AquaPIM的新型聚合物为电网开发了一种价格合理的液流电池膜。图片来源:劳伦斯·伯克利国家实验室

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赫尔姆斯(Helms)及其合作者发现了AquaPIM技术,该技术代表“固有微孔性的水相容性聚合物”,同时与合作者Yet-Ming Chiang合作开发了用于碱性(或碱性)水性体系的聚合物膜。 JCESR的首席研究员,麻省理工学院(MIT)的京瓷材料科学与工程教授。

通过这些早期的实验,研究人员了解到,用一种叫做“ ami胺肟”的奇异化学物质修饰的膜使离子能够在阳极和阴极之间快速传播。

后来,在评估AquaPIM膜的性能以及与不同网格电池化学物质的相容性时(例如,一个实验装置使用锌作为阳极,而铁基化合物作为阴极),研究人员发现AquaPIM膜可产生非常稳定的碱性电池。

此外,他们发现AquaPIM原型在阴极以及阳极中都保留了电荷存储材料的完整性。当研究人员在伯克利实验室的高级光源(ALS)上对膜进行表征时,研究人员发现这些特性在AquaPIM变体中是通用的。

然后,Baran和她的合作者测试了AquaPIM膜在碱性电解质水溶液中的性能。在该实验中,他们发现在碱性条件下,与聚合物结合的a胺肟是稳定的-考虑到有机材料通常在高pH下不稳定,这是一个令人惊讶的结果。

这种稳定性可防止AquaPIM膜孔塌陷,从而使它们保持导电性,而不会随着时间的流逝而造成任何性能损失,而商用含氟聚合物膜的孔却按预期坍塌,从而损害了其离子传输性能,Helms解释说。

带有离子选择性AquaPIM膜的液流电池(以米色表示)的示意图。伯克利实验室的科学家发现,这种模型可以预测用于电网的液流电池的寿命和效率,而无需构建整个设备。图片来源:Brett Helms /伯克利实验室

博士后研究人员Artem Baskin与David Prendergast进行了理论研究,进一步证实了这种行为。DavidPrendergast是伯克利实验室Molecular Foundry的代理总监,也是JCESR和Chiang和Helms的首席研究员。

Baskin使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,发现构成膜的聚合物的结构在碱性电解液中的高度碱性条件下具有显着的抗孔塌陷性。

屏幕测试,以获得更好的电池

在评估AquaPIM膜的性能以及与不同网格化学电池的兼容性时,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在一起。该模型可以预测液流电池的寿命和效率,而无需构建整个设备。他们还表明类似的模型可以应用于其他电池化学物质及其膜。

“通常,您需要等待数周甚至数月的时间,才能弄清楚整个电池组装后电池能使用多长时间。通过使用简单而快速的薄膜筛,您可以将其减少到几小时或几天。”赫尔姆斯说。

研究人员接下来计划将AquaPIM膜应用于从金属和无机物到有机物和聚合物的更广泛的水性液流电池化学领域。他们还期望这些膜与其他水性碱性锌电池兼容,包括使用氧气,氧化锰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Istituto Italiano di Tecnologia的研究人员参加了该研究。

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