美國PNNL開發出新型低成本液流電池

賈旭平

美國PNNL開發出新型低成本液流電池

賈旭平

近日，美國太平洋西北國家實驗室 (Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)開發出了一種新型有機水性液流電池，有望大幅降低現有標準釩基液流電池的成本達60％。該液流電池采用低成本、可持續合成的有機分子，而不是現有液流電池中通常使用的金屬。有機水性液流電池一旦技術成熟，每千瓦時的成本據估計為＄180，且其可以直接替代現有液流電池。

根據全球儲能數據庫的結果顯示，目前世界上79％的液流電池都是釩基液流電池，其在一段時間內都將是液流電池的標準，但是未來液流電池的發展是要降低成本，所以就需要找到替換這種昂貴金屬的替代物，如有機物，因此本文所提的有機水性液流電池就有了市場前景。該新型電池的一大亮點就是將傳統液流電池中的過渡金屬元素變成了合成分子，這也使得液流電池的成本更多的與制造成本相關聯，而不是先前的金屬價格。電池中使用的水性液體電解液也可以直接用于當前的液流電池中，因此使用者可以繼續使用現有的基礎設施，僅需簡單地替換現有昂貴的電解液即可。

有機水性液流電池

圖1　MV/4-HO-TEMPO有機水性還原液流電池的工作原理圖

??????????????????????? ??????(?? ???/????? ??/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新型液流電池的兩大主要特色電解液為：甲基紫精(methyl viologen，MV)負極電解液和4-HO-TEMPO正極電解液。第三種輔助電解液含有氯化鈉，其中的氯離子有助于電池放電。圖1為MV/4-HO-TEMPO有機水性還原液流電池的工作原理圖。表1為各種有機還原液流電池的性能比較。

電池測試情況

研究人員測試了一款小型600 mW的電池。100次循環后性能穩定，在20～100 mA/cm2的電流密度下轉換效率幾乎達到100％，放電電流密度為60 mA/cm2時具有優良的容量保持率。電池采用1.0 mol/L的NaCl水溶液作輔助電解液，再使用0.1 mol/L的 MV2+Cl2作負極電解液，0.1 mol/L的4-HO-TEMPO作正極電解液，所得理論比容量為2.68 Ah/L，比能量為3.35 Wh/L。充放電截止電壓分別為1.70和3.35 V。電池的循環過程可直觀地從圖1看出，在還原反應發生時，活性材料均經歷了顏色的變化。在充電態MV2+Cl2呈淺橙色，而MV+Cl呈深紫色。而放電態的 4-HO-TEMPO溶液和充電態的4-HO-TEMPO溶液分別呈橙紅色和黃色。在電流密度變化范圍為20～100 mA/cm2(增量為20 mA/cm2)，檢測了電池的倍率性能。循環倍率的增加導致輸出容量降低：20 mA/cm2時為0.094 Ah，30 mA/cm2時為0.082 Ah(輸出了87％的容量)，40 mA/cm2時為0.053 Ah(輸出了56％的容量)，輸出容量降低可能是由于歐姆損失增大造成的。圖2A為不同放電倍率下的充放電電壓曲線，圖2B為隨著倍率的增加電壓效率(VE)和能量效率(EE)呈下降趨勢。電壓效率在20 mA/cm2時為83.3％、40 mA/cm2時為70.9％、60 mA/cm2時為60.1％、80 mA/cm2時為51.1％、100 mA/cm2時為45.2％。EE也表現出了同樣的變化趨勢，因為在這些倍率下庫侖效率仍超過99％。在40 mA/cm2下研究人員還進行了連續循環實驗。MV2+Cl2/4-HO-TEMPO電池具有非常卓越的循環性能，如圖2B所示。100次循環后，容量保持率超過99％，每次循環的容量損失可忽略不計。整個循環過程中，庫侖效率幾乎達到100％。圖2C中的插圖為MV/4-HO-TEMPO電池在40 mA/cm2下的充放電循環曲線。穩定的充放電電壓出現在1.38 V。

目前研究人員計劃制作一款更大的測試電池，以檢測電池是否能滿足美國典型家用負載的峰值(高達5 kW)。另外，研究人員還試圖提高電池的循環性能，這樣電池就可以在更長的時間里存儲能量而無需更換電解液。

液流電池原理

圖2　A　不同放電倍率下的充放電電壓曲線；圖2B庫侖效率、電壓效率(VE)和能量效率(EE)與電池電流密度的關系；圖2C在40 mA/cm2下容量和庫侖效率與循環次數的關系

液流電池是一種通過兩種帶有相反電荷(電解質)的液體交換離子，直接將化學能轉換成電能的可循環使用電池。當需要能量的時候，正負極電解液由各自的送液泵強制通過各自反應室循環流動，參與電化學反應。充電時電池外接電源，將電能轉化為化學能，儲存在電解質溶液中；放電時電池外接負載，將儲存在電解質溶液中的化學能轉化為電能，供負載使用。

液流電池與鋰離子電池相比更安全、更具擴展性，其能耐更高的溫度，也可存放更長的時間。由于具有上述特性，所以液流電池可更好地存儲和釋放可再生能源，如太陽能和風能，尤其適合家用。

鏈接

目前該液流電池面臨一個強勁的競爭對手，那就是哈佛大學新近開發的類似產品。哈佛大學的電池采用的是醌(一種光合作用中自然出現的化學品)和氰亞鐵酸鹽(通常用作食品添加劑)，效率與PNNL的相當，壽命更長，但是能量密度要比PNNL的設計低。

CJPS