據(jù)外媒報道,美國科羅拉多大學博爾德分校(CU Boulder)研究人員日前在發(fā)表的論文表示,開發(fā)出低成本、高性能的新型液流電池,可以為風能和太陽能提供電網(wǎng)級電池儲能系統(tǒng),這有助于電力公司減少對化石燃料的依賴。
該研究報告者之一,科羅拉多大學博爾德分校德化學系助理教授Michael Marshak說。“我們發(fā)現(xiàn)了迄今為止一些性能表現(xiàn)最好的電池材料,超越了以往材料的性能極限。并且成本低廉,無毒且容易獲得。”Marshak也是科羅拉多大學可再生和可持續(xù)能源研究所(RASEI)的研究員。
可再生能源在美國電力生產(chǎn)中占有越來越大的份額,但目前缺乏一種大規(guī)模的解決方案來儲存和重新部署所收集的可再生能源,以滿足陽光和風力不足的電力需求。
科羅拉多大學博爾德分校(CU Boulder)博士生Brian Robb(左)和助理教授Michael Marshak(右)
Marshak說,“很多電網(wǎng)的供需不匹配,太陽能發(fā)電設(shè)施在上午可以滿足電網(wǎng)的電力需求,但電力需求往往在下午晚些時候達到峰值,可能從太陽落山一直持續(xù)到半夜。因此,很多公用事業(yè)公司通過建設(shè)更多的煤炭發(fā)電廠和天然氣發(fā)電廠來填補這一空白。”
Marshak表示,雖然鋰離子電池儲能系統(tǒng)可以滿足電力需求,但是可能需要大量的電池來提供小型化石燃料發(fā)電廠一小時的電力。因此,并不能滿足大型風力發(fā)電場或太陽能發(fā)電設(shè)施的需求。
Marshak說。“鋰離子電池的基本問題是不能大量地擴展,電池串聯(lián)越多,電阻越大,同時增加需要其他組件。所以從本質(zhì)上講,如果想要提供兩倍的電力容量,那么就需要部署兩倍的電池,而當儲能容量十分龐大時,在成本效益方面并不經(jīng)濟。”
液流電池被人們認為是一種更具前途的儲能方法。液流電池將其電解質(zhì)以液態(tài)的形式儲存在大容量儲存罐中,能夠提供穩(wěn)定的電能。
雖然有一些液流電池持續(xù)運行幾十年的例子(例如在日本),但由于其體積龐大、運行成本高和電壓相對較低,它們在商業(yè)和市政運營中一直難以獲得廣泛的應(yīng)用。
Marshak說,“規(guī)模對于液流電池儲能系統(tǒng)來說不是什么問題,因為這取決于儲存電解液的罐體體積,重要的是降低成本,而這正是我們致力改進的地方。因此,我們的研究人員重新進行液流電池基礎(chǔ)研究,審視多年前研究過的化技術(shù),發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵是結(jié)合有機粘合劑或采用螯合物(具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的絡(luò)合物)與鉻離子相結(jié)合,以穩(wěn)定有效的電解質(zhì)。”
該研究報告的另一作者,科羅拉多大學博爾德分校(CU Boulder)化學與生物工程系(CHBE)博士生Brian Robb說,“有些研究人員以前采用過這種方法,但對其結(jié)合劑沒有給予足夠的重視,我們認為需要為金屬離子定制螯合物,為此開展了很多研究工作,并最終找到了能夠緊密結(jié)合的正確方法。”
Michael Marshak、Brian Robb和本科生Jason Farrell研發(fā)定制了一種名為PDTA的螯合物,它在鉻電子周圍形成一個屏蔽層,可以防止水阻礙電池反應(yīng)。
PDTA是EDTA的一個衍生產(chǎn)品,EDTA是一種在洗手液、食品防腐劑和市政水處理中使用的藥劑,因為具有殺菌特性,被認為是無毒的藥劑。這種化學物質(zhì)也使用良性鉻,與不銹鋼手術(shù)器械中使用的鉻相同。
Robb說,“我們讓它在相對中性的pH值為9的溶液中工作,這與那些使用高腐蝕性酸性溶液的電池截然不同。而這種材料已經(jīng)有一些工廠大量生產(chǎn)。”
Marshak和Robb為此提交了一項技術(shù)專利。 他們計劃繼續(xù)優(yōu)化這種電池,其中包括在實驗室中擴大規(guī)模,以便將其液流電池可以提供更長時間的電力。
Marshak說,“我們已經(jīng)從根本上解決了這個問題,現(xiàn)在我們可以嘗試很多方法來不斷提高性能極限。”
原標題:美高校開發(fā)出低成本、高性能新型液流電池