美国PNNL开发出新型低成本液流电池

贾旭平

美国PNNL开发出新型低成本液流电池

贾旭平

近日，美国太平洋西北国家实验室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)开发出了一种新型有机水性液流电池，有望大幅降低现有标准钒基液流电池的成本达60％。该液流电池采用低成本、可持续合成的有机分子，而不是现有液流电池中通常使用的金属。有机水性液流电池一旦技术成熟，每千瓦时的成本据估计为＄180，且其可以直接替代现有液流电池。

根据全球储能数据库的结果显示，目前世界上79％的液流电池都是钒基液流电池，其在一段时间内都将是液流电池的标准，但是未来液流电池的发展是要降低成本，所以就需要找到替换这种昂贵金属的替代物，如有机物，因此本文所提的有机水性液流电池就有了市场前景。该新型电池的一大亮点就是将传统液流电池中的过渡金属元素变成了合成分子，这也使得液流电池的成本更多的与制造成本相关联，而不是先前的金属价格。电池中使用的水性液体电解液也可以直接用于当前的液流电池中，因此使用者可以继续使用现有的基础设施，仅需简单地替换现有昂贵的电解液即可。

有机水性液流电池

图1　MV/4-HO-TEMPO有机水性还原液流电池的工作原理图

??????????????????????? ??????(?? ???/????? ??/V ???/ (Wh?L ?? ?? ????/ (mA?cm PbSO SO AQDS/Br SO AQDS/BQDS 　0.76 　4.1 　12 　8 　H Nafion112 MV/4-HO-TEMPO 　1.25 　8.4 　100 　60 　NaCl 　AME

PNNL新型液流电池的两大主要特色电解液为：甲基紫精(methyl viologen，MV)负极电解液和4-HO-TEMPO正极电解液。第三种辅助电解液含有氯化钠，其中的氯离子有助于电池放电。图1为MV/4-HO-TEMPO有机水性还原液流电池的工作原理图。表1为各种有机还原液流电池的性能比较。

电池测试情况

研究人员测试了一款小型600 mW的电池。100次循环后性能稳定，在20～100 mA/cm2的电流密度下转换效率几乎达到100％，放电电流密度为60 mA/cm2时具有优良的容量保持率。电池采用1.0 mol/L的NaCl水溶液作辅助电解液，再使用0.1 mol/L的 MV2+Cl2作负极电解液，0.1 mol/L的4-HO-TEMPO作正极电解液，所得理论比容量为2.68 Ah/L，比能量为3.35 Wh/L。充放电截止电压分别为1.70和3.35 V。电池的循环过程可直观地从图1看出，在还原反应发生时，活性材料均经历了颜色的变化。在充电态MV2+Cl2呈浅橙色，而MV+Cl呈深紫色。而放电态的 4-HO-TEMPO溶液和充电态的4-HO-TEMPO溶液分别呈橙红色和黄色。在电流密度变化范围为20～100 mA/cm2(增量为20 mA/cm2)，检测了电池的倍率性能。循环倍率的增加导致输出容量降低：20 mA/cm2时为0.094 Ah，30 mA/cm2时为0.082 Ah(输出了87％的容量)，40 mA/cm2时为0.053 Ah(输出了56％的容量)，输出容量降低可能是由于欧姆损失增大造成的。图2A为不同放电倍率下的充放电电压曲线，图2B为随着倍率的增加电压效率(VE)和能量效率(EE)呈下降趋势。电压效率在20 mA/cm2时为83.3％、40 mA/cm2时为70.9％、60 mA/cm2时为60.1％、80 mA/cm2时为51.1％、100 mA/cm2时为45.2％。EE也表现出了同样的变化趋势，因为在这些倍率下库仑效率仍超过99％。在40 mA/cm2下研究人员还进行了连续循环实验。MV2+Cl2/4-HO-TEMPO电池具有非常卓越的循环性能，如图2B所示。100次循环后，容量保持率超过99％，每次循环的容量损失可忽略不计。整个循环过程中，库仑效率几乎达到100％。图2C中的插图为MV/4-HO-TEMPO电池在40 mA/cm2下的充放电循环曲线。稳定的充放电电压出现在1.38 V。

目前研究人员计划制作一款更大的测试电池，以检测电池是否能满足美国典型家用负载的峰值(高达5 kW)。另外，研究人员还试图提高电池的循环性能，这样电池就可以在更长的时间里存储能量而无需更换电解液。

液流电池原理

图2　A　不同放电倍率下的充放电电压曲线；图2B库仑效率、电压效率(VE)和能量效率(EE)与电池电流密度的关系；图2C在40 mA/cm2下容量和库仑效率与循环次数的关系

液流电池是一种通过两种带有相反电荷(电解质)的液体交换离子，直接将化学能转换成电能的可循环使用电池。当需要能量的时候，正负极电解液由各自的送液泵强制通过各自反应室循环流动，参与电化学反应。充电时电池外接电源，将电能转化为化学能，储存在电解质溶液中；放电时电池外接负载，将储存在电解质溶液中的化学能转化为电能，供负载使用。

液流电池与锂离子电池相比更安全、更具扩展性，其能耐更高的温度，也可存放更长的时间。由于具有上述特性，所以液流电池可更好地存储和释放可再生能源，如太阳能和风能，尤其适合家用。

链接

目前该液流电池面临一个强劲的竞争对手，那就是哈佛大学新近开发的类似产品。哈佛大学的电池采用的是醌(一种光合作用中自然出现的化学品)和氰亚铁酸盐(通常用作食品添加剂)，效率与PNNL的相当，寿命更长，但是能量密度要比PNNL的设计低。

CJPS