美国桑迪国家实验室科研人员开发出新型储能电解液


中国储能网(驻海外记者报道):最近,美国桑迪国家实验室开发出一种新型的、名叫MetILs的液态盐电解质,能够使现有电池的成本更低,存储量增大3倍以上。该研究成果可以帮助大规模间歇性的可再生能源(例如风能、太阳能等)并入国家电网。

 
    现行的电网设计主要是针对稳定电源,间歇性可再生能源所产生的波动电流非常难于并入电网。储能技术可以消除波动电源所带来的电流不稳的状况。桑迪国家实验室的研究人员正在研究开发新型更加富有弹性、成本更低以及可靠性更高的带有储能装置的电网。
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    美国和全球都需要在可再生能源技术领域获得技术突破,进而取代今天的碳基能源体系,桑迪国家实验室能源计划首席指导专家Anthony Medina说。MetILs是一种新型的、有前景的电池化学技术,它可能提供下一代静态存储电池技术,取代现有的铅酸蓄电池和锂电池,提供用于储能的更高的比能量密度。
 
    过去20年,锂电池始终处于储能研究的最前沿,其所具有的紧凑、轻便的特性使其广泛用于移动电话、笔记本电脑以及个人电子产品等,然而,锂电池昂贵的价格和自放电问题限制了锂电池在静态、大规模国家电网中的应用。
 
    桑迪国家实验室研究员和无机化学专家Travis Anderson正在领导一个研究团队开发下一代液流电池. 该液流电池通过储箱向电化学电池中注入溶解于带有可以导电、自由浮动状态离子材料制成的电极中的带电自由浮动状态金属离子溶液,从而将化学能转化成电能。 通过改变电极的电荷状态,液流电池可以快速实现充放电。电极材料可以多次重复使用。Anderson 说,实验室条件下,液流电池循环寿命可以达到14000多次,相当于储能装置的使用寿命达20年之久,在锂电池中是非同寻常的。
 
    然而,液流电池电网储能系统体积庞大,成本也高于锂电池。研究人员的目标是使液流电池更小、更便宜,或者说在容积一定的情况下可以储存更多的电能或者具有更高的比能量密度。
 
    液流电池已经在美国、日本、澳大利亚等国投入现场使用,目前大约有总计25兆瓦的储能项目在美国处于示范阶段,这些项目均由美国能源部储能研究计划管理。 锌溴和钒电池均在考虑范围之内,但其所用材料毒性较大且钒价格波动较大。此外,液态溶液限制了能够溶解其中的化学物质的数量以及电能的储量且外部温度影响电池的运行效率。
 
    桑迪国家实验室在液流电池研究领域处于领先地位,通过使用非水基溶液避免上述问题。
 
    Anderson组成了一直由来自实验室不同学科领域的专家组成的科研队伍,包括电化学专家David Ingersoll, 有机化学专家Chad Staiger 以及化学技术专家Harry Pratt 和 Jonathan Leonard. 他们开发了一种新型电化学可逆的,金属基离子液体或者也称之为MetILs, 这种液体基于便宜的、无毒的铁、铜和锰等物质。
 
    桑迪国家实验室的研究人员已经开发出一种新型的液态盐电解质,能够使现有电池的能量密度增大3倍以上。从左到右依次是铜基混合液, 钴基混合液, 锰基混合液, 铁基混合液, 镍基混合液和钒基混合液. 不是将盐溶解于溶剂中,而是盐本身就是溶剂,” Anderson 说. “我们能够得到更高浓度的活性金属因为我们不受溶液饱和度的限制. 仅仅受物质特性的限制。因此,实际配方能够将能量密度增加3倍以上,大大减小了电池的体积,进而显著降低了成本。”
 
    MetILs 中的电化学性能,或者电能转化能力远大于现有已经公布的其他储能方式。科研团队现在已经准备了将近200份阳离子、阴离子和配基的化合物, 其电化学效率超二茂铁的电化学性能的5倍以上。