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美國開發(fā)新型電池隔膜技術(shù)：可用于制造經(jīng)濟高效可靠的液流電池！
時間:2019-11-13 12:27來源:IntelligentThings 作者:John Zhang
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據(jù)美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室官網(wǎng)近日報道，該實驗室研究人員利用一種稱為“AquaPIMs”的聚合物，開發(fā)出一款多功能且便宜的電池隔膜。這種聚合物可制造持久耐用、成本低廉的柵極電池。
背景
我們?nèi)绾尾拍艽鎯稍偕茉矗谟行枰臅r候可以用得上，甚至是在沒有陽光或者刮風的時候？為了解決這個問題，人們?yōu)殡娋W(wǎng)設(shè)計了巨型電池，也稱為“液流電池”，它能將電能存儲在液體電解質(zhì)中。但是到目前為止，電力公司還未能找到一種經(jīng)濟、高效、可靠的電池，跨越10年至20年的生命周期，為幾千個家庭供電。
創(chuàng)新
近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員開發(fā)的一項電池隔膜技術(shù)，將為妥善解決這個問題提供一種方案。
正如在《Joule》期刊所報道的，研究人員們利用一種稱為“AquaPIMs”的聚合物，開發(fā)出一款多功能且便宜的電池隔膜。這種聚合物可制造持久耐用、成本低廉的柵極電池。這種電池有可能單單基于可輕易獲取的材料，例如鋅、鐵與水。團隊也開發(fā)出一個簡單的模型，從而展示不同的電池膜是如何影響電池生命周期的。這個模型有望加速流體電池技術(shù)的早期研發(fā)，特別是為不同電池化學物質(zhì)尋找合適的薄膜。
技術(shù)
聯(lián)合儲能研究中心（JCESR）首席研究員、伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家、這項研究的領(lǐng)導者 Brett Helms 表示：“我們的 AquaPIM 隔膜技術(shù)采用了可擴展、低成本的水基化學物質(zhì)，有利于加速流體電池的市場開發(fā)。采用我們的技術(shù)，配合電池性能與生命周期的經(jīng)驗模型，其他研究人員可評估電池中每個組件的情況，從隔膜到儲能材料。這將為研究人員以及產(chǎn)品開發(fā)者節(jié)省時間與資源。”
大多數(shù)柵極電池的化學物質(zhì)具有高度堿性的電極，一側(cè)是帶正電的正極，另一側(cè)是帶負電的陰極。但是，目前最先進的隔膜是為酸性化學物質(zhì)而設(shè)計的，例如燃料電池中的氟化膜，但不適用于堿性流體電池。（在化學中，pH值是溶液中氫離子濃度的一種度量。純水的pH值為7，呈中性。從另一方面說，堿性溶液的氫離子濃度較低，因此具有較高的pH值，或者說pH值高于7。在堿性電池中，pH值可以高達14或者15。）
氟化聚合物薄膜也是非常昂貴的。據(jù) Helms 稱，它們占據(jù)了電池成本的 15%到20%，可以在300美元/千瓦時的范圍內(nèi)運行。
Helms 研究組的研究生研究員、論文第一作者 Miranda Baran 表示，降低流體電池成本的一項方案就是消除整個氟化聚合物膜，采用一種高性能的便宜替代品，例如 AquaPIMs。Baran 也是加州大學伯克利分校化學系的博士生。
Helms 以及論文合著者們開發(fā)了 AquaPIM 技術(shù)（它代表“天生具有微孔的水溶性聚合物”），同時與JCESR首席研究員、麻省理工學院材料科學與工程系教授 Yet-Ming Chiang 一起合作為堿性水溶液開發(fā)聚合物膜。
研究人員通過這些早期實驗學習到，通過一種稱為“酰胺肟”的特殊化學物質(zhì)修改隔膜，可以使得離子在正負極之間迅速移動。
之后，研究人員們通過不同柵極電池化學物質(zhì)評估 AquaPIM 膜的性能與兼容性。例如，一個實驗采用鋅作為負極，鐵基化合物作為正極。與此同時，研究人員們還發(fā)現(xiàn) AquaPIM 隔膜帶來極其穩(wěn)定的堿性電池。
此外，他們還發(fā)現(xiàn) AquaPIM 原型產(chǎn)品保留了正極和負極中的電荷存儲材料的完整性。當研究人員們在伯克利實驗室的先進光源（ALS）描述薄膜特征時，他們發(fā)現(xiàn)這些特征對于 AquaPIM 的不同變種來說是通用的。
然后，Baran 及其合作者們測試了 AquaPIM 膜如何與堿性電解質(zhì)一起工作。他們在這個實驗中發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下，聚合物綁定的酰胺肟是穩(wěn)定的，令人驚訝的是，這種有機材料在高pH值條件下特別穩(wěn)定。
Helms 解釋道，這種穩(wěn)定性防止了 AquaPIM 膜的孔坍塌，使之可隨著時間推移保持導電性，且不喪失任何性能，而商用的含氟聚合物膜會像料想的那樣坍塌，從而有損其離子傳輸特性。
（左）：AquaPIM 由特種的聚合物制成，它能在高pH值的情況下變得離子化，生成可高度導電并具有高度選擇性的孔。（右）這種材料可以被塑造成各種形狀，例如一種獨立式的膜。（圖片來源：Brett Helms/Berkeley Lab）
與伯克利實驗室分子鑄造廠執(zhí)行主任、JCESR 首席研究員、博士后 David Prendergast 一起工作的博士后研究員 Artem Baskin 的理論研究也進一步證實了這種行為。
Baskin 利用伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心（NERSC）的計算資源模擬了AquaPIM 膜，并發(fā)現(xiàn)組成膜的聚合物結(jié)構(gòu)在堿性電解質(zhì)中的高堿性條件下，抗塌孔能力很強。
在通過各種柵極電池化學物質(zhì)評估 AquaPIM 膜的性能與兼容性的同時，研究人員們開發(fā)了一個模型，將電池的性能與各種膜的性能聯(lián)系起來。這種模型能夠預料流體電池的生命周期和效率，并且無需構(gòu)造整個設(shè)備。他們也演示了相似的模型可以應用于其他的電池化學物質(zhì)以及它們的膜。
Helms 表示：“一般來說，你必須等待數(shù)周或者數(shù)月，來搞清楚電池在組裝成整個單元后可以維持工作多久。通過采用簡單且快速的薄膜篩選，你可以將這個時間縮減至幾小時或者幾天。”
未來
研究人員的下一個計劃是將 AquaPIM 膜應用于更廣泛的水流體化學物質(zhì)，從金屬和無機物到有機物和聚合物。他們也強調(diào)，這些膜與其他的堿性鋅電池兼容，包括那些采用氧、氧化錳或者金屬有機框架作為正極的電池。
(責任編輯：子蕊)
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