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哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

类别:科技 发布时间:2024-04-30 14:32:00 来源:DeepTech深科技

一直以来,人们希望能够发展出适合电网储能的电池。

虽然风能、电能、太阳能等新能源近年来逐渐发展,但不可忽视的是,这类能源的时间不稳定性和技术成熟度、经济性等因素限制了被广泛应用。

水系液流电池由于其安全、廉价、容量高的优势,成为具备高潜力的技术之一。

目前,国内已成熟发展的钒液流电池性能良好,但是不可忽视的是,钒的价格昂贵。未来如果大规模使用,更将面临钒储量短缺等现实问题。

另一方面,水溶性有机分子(碳氮氧氢)作为储电分子,虽然资源充足、价格便宜。但水并不稳定,一旦电压大于 1.23V,易被分解为氢气以及氧气。

为解决上述问题,美国哈佛大学团队提出了一种新的解决方案,他们让酸性和碱性电解液在同一电池中循环,将水分解电压提高到 2V 以上。

酸碱不能共存,正如水火不相容。于是,研究人员通过电池结构优化和催化水的解离,重新生成酸和碱,让酸碱稳定循环且不相互中和。

审稿人对该研究评价称:“作者对质子和氢氧根通过离子交换膜和阴离子交互膜的交叉,进行了全面的研究。由此产生的电池系统表现出卓越的性能,具有高能量效率和低容量衰减率,这些发现对液流电池界具有广泛的影响。”

哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

图丨哈佛大学团队(来源:席大为)

近日,相关论文以《温和的 pH 解耦液流电池与可实际应用的 pH 恢复》(Mild pH-decoupling aqueous flow battery with practical pH recovery)为题发表在 Nature Energy 上[1]。

哈佛大学博士生席大为和博士生阿卜杜拉赫曼·M·阿尔法拉迪(Abdulrahman M. Alfaraidi)为共同第一作者,迈克尔·J·阿齐兹(Michael J. Aziz)教授,理查德·Y·刘(Richard Y. Liu)助理教授,罗伊·G·戈登(Roy G. Gordon)教授担任共同通讯作者。

哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

图丨相关论文(来源:Nature Energy)

阿齐兹教授团队长期致力于开发有机水系液流电池。从 2012 年开始,深入探索醌基液流电池的方向。而由于酸碱解耦液流电池潜在的高压高能量密度,这种电池结构自提出以来就吸引了很多关注。

2019 年,该课题组在 Advanced Energy Materials 发表论文,曾讨论酸碱解耦醌基液流电池的应用。

但是,他们发现这种存在巨大酸碱值差的电池储存的能量,甚至不够弥补运行过程中消耗的酸碱本身的能量,更不用说频繁地往电池里加酸碱,本身就不具备工业场景下的可行性。

2022 年,该团队在 Nature Review Chemistry 综述了酸碱解耦电池的发展和前景[2]。

“对于酸碱最后会不会消失,消失后是否能有可行的办法让酸碱回来,恢复过程的能量消耗和成本是否可被接受等一系列问题,在当时尚未得出详细的结论。”席大为说。

基于此,研究人员系统性地研究了酸和碱在电池中的交叉问题。然后通过将它定量,并得出结论:在酸碱交叉的通量小于 100 纳摩/平方厘米/秒,带来的成本的损耗和储能损耗可能不到 1%。

根据技术信息计算,他们还有一个“额外的发现”。

通常来说,该领域会用两张膜进行酸碱分割,但是研究人员发现,这种情况下会出现一系列问题,包括:电池的电阻大、双膜成本高、在三室水系氧化还原液流电池整体操作液流复杂、经济合理性较差等。

同时,在电池中,酸碱总会发生互穿的情况,即便酸碱交叉很少,但在长期的累积中也会要求不停地加酸碱来维持 pH。从本质上来说,它们的综合反应会生成盐,进而在电池里不断沉积,导致对电池性能造成损害。

哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

图丨带有 pH 恢复子电池的三室双膜电池示意图(来源:Nature Energy)

为解决该问题,该课题组提出用双极膜子电池,来恢复已损失酸碱的方案,让酸碱共存成为可能。

具体来说,当施加一个反向电场时,使用双极膜的子电池可以原位地把水解离成质子和氢氧根,相当于在电池运行中由于酸与碱中和会生成水和盐,但又可以在子电池用很小的电流和电压把水、盐还原成酸和碱。

该研究具备现实指导性意义和较高的经济可行性。从性能来看,在该方案作用下,电池实现了高压、高寿命和低衰减率。

其中,电压超过 1.7V,往返能量效率在 85% 以上,每天的衰减率约为 0.07%,用于维持电池中酸碱值的子电池的能耗小于 0.1%,几乎可以忽略不计。

在该研究中,研究人员还展示了用单膜酸碱解耦电池结构的电压 2.1V 电池,其功率可达 0.8 瓦/平方厘米。

“我们证明了这种单膜结构在电阻变小,电压变高的条件下,依然能够实现很高的功率,且酸碱交叉在可接受范围内。这让该技术具有了实际的应用潜力和应用价值。”席大为说。

哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

(来源:Nature Energy 评述)

研究人员展示了在合理 pH 的缓冲体系下的电池性能。他指出,“它的酸碱互穿很少,但是这样微小的浓度就能带来巨大的 pH 差异。”

根据论文内容,他们在应用前景上展示了仅用一张膜,也能够实现一边酸性和一边碱性的电池体系。例如,用阳离子膜隔酸时,可实现一边弱酸,而另一边用较强碱的电池的酸碱交叉,依然可控制在很低的通量范围内。

“这种电池架构扭转了此前长时间运行中酸碱不能共存的局面,很多此前不能配对的高电位正极,与低电位不能匹配的情况由此成为可能,并提升了整体电压,也让该技术具有很高的经济可行性。”他说。

哈佛开发新型水系氧化还原液流电池,让酸碱电解液共存并稳定循环

图丨pH 解偶联水相氧化还原液流电池与 pH 恢复(来源:Nature Energy)

在本次研究中,酸碱解耦电池为电解液的发展带来新机会。据了解,该课题组基于水系液流电池技术,已成立初创公司 Quino Energy,并由课题组成员担任公司的 CEO 和 CTO。

席大为认为,未来,电池电压在 2V 左右,功率在 0.5 瓦/平方厘米以上,电解液价格在 30-50 美元/千瓦时,酸碱交叉通量达到 100 纳摩/平方厘米/秒以下,是相对来说比较理想的指标。

下一步,该团队计划开发更高压的正极和负极。并且,也会在循环稳定性和寿命方面进一步提升相关性能。

参考资料:

1.Xi, D., Alfaraidi, A.M., Gao, J. et al. Mild pH-decoupling aqueous flow battery with practical pH recovery. Nature Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01474-1

2.Zhu, Yun-hai, et al. Decoupled aqueous batteries using pH-decoupling electrolytes. Nature Reviews Chemistry (2022). https://doi.org/10.1038/s41570-022-00397-3

3.Perry, M.L. Decoupled architecture enables pH decoupling. Nature Energy(2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01481-2

运营/排版:何晨龙

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