半固态液流电池-新型能量存储方式

研究人员创新性地设计出一种新型的半固态液流电池(Semi-Solid Flow Batteries)。

能源是支撑人类文明发展的重要物质基础之一,然而传统矿物能源的日益耗尽和福岛核危机的爆发迫使人们重新考虑使用可再生能源发电的重要性。但是可再生能源(比如风能或太阳能)存在能量来源不稳定、能源利用效率低等不利因素,于是如何设计出高储能、低成本、可扩展的电池从而保证可再生能源的可持续性发展成为学术界内重要研究课题之一。

作为目前大部分电池的原型,伏特电池(Volta’s Galvanic Cell of 1800)对电池活性材料的利用效率非常低,即使是目前可获得的最高能量密度(>600 Wh/L)的锂电池,其利用效率也没有达到50%(体积比)。同时该类型的电池由于使用了一些非活性材料(如集流板、隔膜、电极粘结剂、电解液等)使得其能量密度显著降低,并且该电池从单电池(Cell Level)到集成系统(System Level)的过程中能量密度会再次降低一半。

为了更有效地提升集成系统的能量密度,科研人员设计出了能量存储单元(Energy-Storage Components)和充放电单元(Power Components)可分离的液流电池(Flow Batteries)。不同于通常蓄电池,液流电池的活性材料以液态形式存在,这些存储能量的活性材料可置于外部存储器中,并且可以在反应的时候被泵入发电装置。液流电池设计的优势在于其容易形成不同规模的系统电池,并且当系统容量增大时,其能量密度逼近活性溶液的能量密度。

作为典型的液流电池,水相化学液流电池(Aqueous-Chemistry Flow Batteries)具有稳定性、可扩展性和高性价比的特点。然而由于水相液流电池使用了低能量密度的活性材料(40 Wh/L)并且需要消耗大量的机械能用于泵入存于外部存储器中的低浓度活性材料,导致液流电池的设计优势也被这些不足所抵消。

最近来自美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, Cambridge)的Chiang教授及其带领的研究团队展示了半固态液流电池(Semi-Solid Flow Batteries)的设计并讲述了该新型电池的应用前景。

该团队借鉴了液流电池的模块化结构优势,同时采用高能量密度的固态活性材料取代低能量密度的液态电解质,创新性地建造出高能量密度、易扩展、长寿命的半固态液流电池。在设计的过程中,为了实现固态活性材料粒子与集流器之间的有效电荷交换,研究人员巧妙地利用了(1)少量导电纳米粒子的扩散限制团簇凝聚(Diffusion-Limited Cluster Aggregation)而形成渗透导电网络实现电荷交换;(2)致密压缩微米级别能量存储粒子从而获得最大能量存储密度。此外,研究人员还测试了该新型电池在连续液流模式(传统液流电池运行模式)和间歇液流模式下的运行状况。在连续液流模式下,该新型电池使用LiCoO2(充/放电电压:2-4.4 V)作为活性材料时可以达到127 mAh/g至146 mAh/g的高充/放电容量,但在该模式下的能量损耗/总电能比(Pumping-Dissipation/Total-Discharge-Power Ratio)为22%,依然远高于间歇液流模式下的能量损耗。在间歇液流模式下,该新型电池仍可达到118-146 mAh/g的高充电容量,并且能量损耗率低于1%。

更有意思的是,当将单电池组装成储能系统的时候,研究人员发现半固态液流电池在使用优化过的嵌锂化合物作为活性材料并且在间歇液流模式下,可以达到300-500 Wh/L的高能量密度(传统水相液流电池的能量密度仅为40 Wh/L),完全可以满足目前全电动车的需求。

该半固态液流电池除了具有高能量密度,还可能改变人们对于电池的概念,因为该具有独立能量存储单元的新型电池可以通过“更换”能量存储固态活性材料(类似“加油”的方式)而实现不同于传统方式的快速充电。同时该设计也为长寿命,模块化、易维护的电池设计开辟了新的道路。

与此同时,在大规模应用的时候,半固态液流电池能提供比传统锂电池更有竞争力的价格优势。半固态液流电池所需的活性材料价格为每公斤10-15美元;非水相电解质的价格为每公斤14美元;电池运行成本为每千瓦时40-80美元。参照以上价格,半固态电池有望有效地将系统成本降低到每千瓦时250美元(交通工具)和每千瓦时100美元(电网储能)。

M. Duduta, et al., Adv. Energy Mater. 2011, DOI: 1010.1002/aenm.201100152.