麻省理工学院开发出新型无膜氢溴电池 低成本高容量

科技日報 综合报道

麻省理工学院机械工程系的研究人员近日开发出一种新型无膜氢溴电池,其性能与传统的有膜电池相当,却大大降低了成本,在低成本高容量电化学储能技术上取得了新的进展,有望深刻改变当今的能源格局。

当今储能技术成本太高

在当今的能源市场上,电能来源十分丰富,既有传统的煤电、油电、水电,也有正在大力发展的风能、太阳能等间歇性能源。用户的需求也不是衡定不变的,存在着用电的波峰波谷。因此一个不容忽视的重要技术环节就是储能技术。所谓的储电能力意味着当电力供应充足时,可将其储存起来,需要电时,则可以提供。储能能力强不仅可以确保骨干电网和分布式电网高效稳定地提供电力供应,也是大规模使用太阳能和风能等间歇性能源的有力保障,尤其是发展中国家及移动业都对便携式储能装置有着强烈的需求。

电化学储能系统,如电池和燃料电池等,在储能技术上的应用前景十分广阔。它们可以快速高效地充放电。特别是在利用太阳能或风能时,可以在太阳照耀时储存电能,或风力强劲时储能,然后在多云或风淡的时候,在几分钟内把电供应出来。此外它们还十分灵活便捷,哪里需要,就可以把他们放置在哪里。

不过电化学储能系统面临的最大问题是成本问题,即便是最好的电化学储能装置要想拥有较大的容量,其成本也会令人难以接受。举例来说,一卡车大小的锂电池可以提供大量的能量,但是成本实在太高了。因此发展可再生能源与其说是技术问题,倒不如说是缺少具有成本效益的储能技术手段。

隔离膜:氢溴储能系统的最大难题

在研究和探索大规模电化学储能装置的过程中,人们开始把注意力集中在氢溴储能系统。这两种反应物有一些独特的品性,引人关注。和锂相比,溴价格便宜,容易获得,且储量丰富。其原子序数为35,是一种卤素,最外层上有7个电子,容易形成8电子稳定结构,所以是活泼的非金属单质,而氢恰恰可以提供一个电子。因此在氢和溴之间可极其迅速地发生化学反应,其速度比氢氧反应要快,其电流也较大,而目前的高容量电化学储能装置大多依靠氢氧化学反应。

但当氢和溴发生自发反应时,由于反应过于迅速,其能量大多会以热能的形式白白浪费掉。为了解决这一难题,电化学储能系统的设计师们通常利用价格不菲的隔离膜将其分开。有膜氢溴储能系统又存在另外一个问题,就是随着时间的推移,当电化学储能设备内部产生氢溴酸后,会损坏隔离膜。因此,30年来氢溴液流电池的研究进展十分缓慢。

其实答案十分明显,如果要想有效地开发利用氢溴电化学储能系统,最重要的是要想办法摆脱掉隔离膜。有这样想法的人很多,不仅是现在的科学家想到了,过去也有人想到过这样的方法。在过去的10年中,有许多科学家已经开发出了无膜氢溴电化学储能系统。这些系统主要利用流体力学的层流技术,使反应物发生分离。在正确的条件下,两种液体流并行流动,两者之间很少或几乎不发生混合。不过这样的无膜电化学储能系统的电功率从来没有超过有膜系统,因此无膜电化学储能系统一般作为一种学术兴趣来开展研究,在商业上不存在可行性。

无膜氢溴储能系统的大胆创新

麻省理工学院机械工程系的研究人员产生了一个大胆又新颖的想法,就是能否综合无膜储能系统和氢溴化学性质的各自优势,把两个有局限的系统放在一起,获得比任何一个单独系统要好的结果。这一方法有望摆脱隔离膜阻碍燃料电池发展的弊端,同时还可以取代传统的无膜氧基电池表现不佳的缺点。

氢溴反应有一个最大的特点就是其反应的可逆性。通常无膜燃料电池进去的反应物和出来的产品是不同的,因此这些系统通常是“直流”燃料电池,需要不断输入新鲜的反应物。氢溴化学反应的产品是电解质。电解液输回电池,从外部充电,可形成溴和氢分子,从而达到充电的效果。这样就可以形成一个“闭环”模式,使无膜充电电池成为可能。

麻省理工学院设计的最新氢溴电化学储能系统的顶部是一种含有少量铂(Pt)催化剂的多孔阳极,底部是固体石墨阴极。阳极和阴极之间流动着电解液氢溴酸,含有带负电荷的溴离子和带正电的氢离子。

在放电模式下,氢溴酸电解质从左侧进入主通道,在电极之间流动,底部的多孔阳极金属网阻止电解液渗透。氢气从顶部进入,同时,氢溴酸以及少量的中性分子溴通过一个单独的通道进入。在阳极,铂催化分解氢气,形成带正电的氢离子和带负电荷的电子,然后通过不同的路径移动到阴极。氢离子通过电解液,而电子经外部电路流出,提供电能。在阴极,溴吸收电子,成为带负电荷的离子。带负电的溴离子与带正电的氢离子形成氢溴酸电解液。在充电过程中,氢溴酸回注到电池,氢离子回到正极,形成氢气,分子溴则在阳极生成。

依靠层流技术的关键是防止反应物达到“错误”的电极。这种现象称为交叉,可对阳极催化剂造成损害。在新设计中,金属网可使氢气进入电解液。

根据最新的数值模型,研究人员发现,在电池的不同地方分子溴的浓度不同。在阴极,溴变成氢溴酸,溴在扩散到电解液的流动过程中,其浓度会降低。如果时间充分,溴最终会流动到阳极,带来不必要的交叉影响。不过研究人员在设计中注意到了这个问题,并采取了措施以确保溴分子反应物不会达到阳极。

原型电池储能的高效率及低成本令人欣喜

为了测试无膜氢溴储能系统的概念,研究人员设计了一个小的原型电池。它由两个0.8毫米的电极,1.4厘米长的流道及引导反应物进入设备的入口组成。研究人员根据不同的流量和不同的反应物浓度对原型电池进行了一系列实验。即便在尚未优化的条件下,该电池在室温和室内压力下,其最大功率密度为795毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。其性能与最佳有膜氢溴电池相当,比其他无膜电化学储能设备高两到三倍。

原型电池的充电效率同样令人兴奋。研究人员在闭环模式下,把回收的反应产品充入设备中进行充电。在反向操作中,对纯氢溴酸加电,成功制备出氢和溴。正向和反向模式的实验结果显示,反应物浓度越高,功率密度越高,双向电压效率达200mW/cm2的超过90%,是峰值功率的25%。这些结果表明原型电池的充放电效率均具有非常大的潜力。

初步的成本估算也令人十分欣喜。传统的有膜燃料电池,催化剂和隔离膜约占总成本的一半。新氢溴电池不需要隔离膜,没有阴极催化剂,阳极催化剂用量很少。此外,由于氢溴电池的功率密度较高,系统所需能源大小减少,这也进一步降低了成本。研究人员目前还在继续改善他们的系统,试图让电极靠得更近,以获得更高的功率密度。由于所有的反应发生得很快,即便没有隔离膜的限制,氢离子穿过电解液的速度依然有一定的限制。此外,他们正在开发全新的电池结构,确保电解液在闭环操作的捕获和回收过程中,不含有溴分子。

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