【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十一期 液流电池专辑 一张图看懂液流电池；哈佛大学在高性能有机液流电池方面取得重大突破；斯坦福大学：钠、钾制液态金属成就高压液流电池

【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十一期 液流电池专辑 一张图看懂液流电池；哈佛大学在高性能有机液流电池方面取得重大突破；斯坦福大学：钠、钾制液态金属成就高压液流电池；新型薄膜技术有利于低成本、电网规模的能量存储；中科院大连化物所在高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究方面取得新进展

2018-07-30 张江发展战略研究院

采编 | Paul

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上海人大人科学发展研究院）

宏观视野

一张图看懂液流电池

技术洞察

哈佛大学在高性能有机液流电池方面取得重大突破

这种流动电池使用了一种新的有机分子，使得它的寿命比以往的电池都要长，创造了迄今为止最持久的高性能有机流电池。图片：Eliza Grinnell

为了在未来延续人类文明，人类必须利用清洁能源来取代目前污染我们大气的化石燃料。太阳能和风能可以提供所有必要的能源。因而，为防止无光和无风的情况，存储能量是非常必要的。

有机液流电池是一种安全且便宜，并可作为锂离子电池和钒液流电池大规模循环储能商用设备的替代品。

目前，哈佛大学的研究人员已经验证了一种新的有机分子，它的寿命超过之前所有的物质，创造了迄今为止最持久的高性能有机液流电池。绰号“Methuselah”，这是一种寿命最长的“圣经般的物质”，这个分子可以在多年的时间里进行成千上万次有效能量的储存和释放。

该研究成果发表在Joule杂志上。这项研究由哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）化学与材料科学教授Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot，材料及能源技术学教授Michael Aziz,
Gene 及 Tracy Sykes共同领导。

“我们设计并制造了一种新的有机化合物，可以储存电能，并且在分解之前具有很长的使用寿命，”Gordon说。“我们发现了以往液流电池中分子的降解过程。依此，我们创造了新的，更稳定的分子来避免以往存在的问题。”

“在之前的工作中，我们已经验证了一种具有长寿命但低电压的化学物质，低电压会导致分子能量储存量低，最终导致定量能量存储成本高，”Aziz说。“现在，我们拥有了第一种持续稳定且电压超过1V的化学物质，这些通常被认为是商业部署的门槛。我相信这是第一个基于有机物质并符合所有技术标准的流体电池。”

这种新的化学物质是由Aziz and Gordon领导发现的先进研究成果。Methuselah分子是一种改良的醌，是一种丰富的，天然存在的分子，与光合作用和细胞呼吸等生物过程不可分割。他们的研究团队与理论化学教授AlánAspuru-Guzik合作，描述了流动电池中醌分子的降解过程，并进行了修改以延长其工作寿命。

实验中，Methuselah分子的每天衰减率低于0.01％，每次充电/放电循环低于0.001％——以此推断在一年的时间内衰减不到3％——并且进行了成千上万个有效的工作循环。

Methuselah也被证明是高度可溶的，这意味着它可以在更小的空间中储存更多的能量。它可在弱碱性电解质中工作，并通过使用廉价的密封材料和廉价的聚合物膜来分离正极和负极，从而降低了电池的成本。

所有这些进步都降低了存储成本，并且使用有机化学物质，对长时间放电具有成本效益。

SEAS的博士后研究员，该论文的共同第一作者David Kwabi说。“这项研究证明了有机物的潜力，我们也证明了有机分子可以是昂贵钒电池的可行、持久且经济的替代品。”

该研究得到了美国能源部电力储能计划、高级研究计划局能源、丹麦创新基金、马萨诸塞州清洁能源技术中心以及哈佛工程与应用科学学院的支持。

美国能源部电力储存办公室主任ImreGyuk表示：“这项重要工作代表了低成本，长工作时间的流体电池的重大进步，电网需要这样的设备来吸收越来越多的绿色但易变的可再生发电能源。”

在哈佛大学技术开发办公室（OTD）的协助下，研究人员正在寻求商业合作伙伴来扩大工业应用技术。哈佛OTD已经提交了一系列关于液流电池技术创新的待批专利。

原文来自：techxplore，原文题目：Organic Mega Flow Battery transcends lifetime, voltage thresholds，由材料科技在线团队翻译整理。

斯坦福大学：钠、钾制液态金属成就高压液流电池

如图所示：钠钾合金是一种室温液态金属，其可以用来制造高压液流电池

图片来源：斯坦福大学的Antonio Baclig

斯坦福大学研究人员开发的一种新的材料组合可能有助于开发一种可充电电池，能够存储通过风能或太阳能源产生的大量可再生能源。随着新技术的进一步发展，这种新技术可以在正常的环境温度下，快速、经济、高效地为电网提供能量。

一种名为液流电池的电池，长期以来一直被认为是存储间歇性可再生能源的有希望的候选者。然而，到目前为止，可能产生电流的液体种类要么受到它们所能输送的能量的限制，要么需要极高的温度，或者需要使用毒性很大或十分昂贵的化学品。

斯坦福大学材料科学与工程助理教授William Chueh及其博士生Antonio Baclig和Jason Rugolo（是Alphabet研究子公司X Development的技术探索者），他们决定尝试将钠和钾在室温下混合形成液态金属，作为电池电子供体或负向的液体。从理论上讲，这种液态金属每克的可用能量至少是其他流动电池负极流体的10倍。

“我们未来还有很多工作要做。” Antonio Baclig说，“但这是一种新型的液流电池，我们可以通过使用地球上丰富的原料来更经济地更好地利用太阳能和风能。”

该小组于7月18日将他们的科研成果发表在了“Joule”杂志上。

分离液流电池的正负极

为了使用电池的液态金属负极端，该小组找到了一种合适的、由钾和氧化铝制成的陶瓷膜，以保持负极和正极材料分离，同时允许电流流动。

这两个进步较之传统液流电池的最大电压增加了一倍多，该电池原型在数千小时的运行中仍能保持稳定。这种更高的电压意味着这种尺寸的电池可以存储更多的能量，这也降低了电池的生产成本。

“新电池技术有许多不同的性能指标需要满足：成本，效率，尺寸，寿命，安全性等，” Antonio Baclig说，“我们认为这种技术有可能通过科研人员更多的工作来满足所有的上述指标要求，这就是我们为此感到兴奋的原因。”

未来的改进

斯坦福大学的博士团队除了Antonio Baclig之外，学生们还包括Geoff McConohy和Andrey Poletayev，他们发现陶瓷膜可以非常有选择性地防止钠迁移到电池的正极，如果膜成功实现这种功能的话，这对液流电池来讲是至关重要的。然而，这种类型的膜在高于200摄氏度（392华氏度）的温度下效果才是最显著的。为了追求室温电池，该小组尝试使用更薄的薄膜。这提高了设备的功率输出，结果表明改进膜的设计是一条很有发展前景的道路。

他们还试验了四种不同的液体作为电池的正极。水基液体会迅速降解膜，但他们认为非水基液体的选择将有助于改善电池的性能。

原文来自：techxplore，原文题目：Liquid-metal, high-voltage flow battery，由材料科技在线团队翻译整理。

新型薄膜技术有利于低成本、电网规模的能量存储

图片来源：美国橡树岭国家实验室（ORNL）/Carlos Jones

Rose Ruther和Jagjit Nanda一直致力于研发用于低成本氧化还原液流电池的薄膜，以对电网规模的能量进行存储。

来自橡树岭国家实验室的科学家们已研发出一种新型低成本固定式电池系统的关键部件。该系统可利用常规材料设计用于电网规模的电能存储。

大型、经济型的电力存储系统可通过多种方式使国家电网受益：在高峰和非高峰需求时间之间平衡负载；在停电期间供电；储存来自风能和太阳能等波动性能源的电力；另外，还可以适应电动汽车的极快速充电。

尽管使用锂离子电池的固定式系统正在增加，但电网主要依靠水电设施来储存能量。另外锂资源十分昂贵，且大多产自美国以外的国家。

一些公用事业公司一直在测试氧化还原液流电池（RFB）系统。这是传统电池和燃料电池之间的交叉。RFB非常适合网格应用，因为它们耐用、寿命长、易于扩展，并且响应时间快。 然而，目前正在测试的大多数RFB依赖于水基（水）系统，这减少了电池系统所能存储的电量—也称为能量密度。

一种非水液流电池使用普通的、低成本的材料来代替水，并能以更小的体积储存更高的能量。这一直是电池科学家的首要任务。其中关键之一就是研发出一种合适的薄膜来分离电池中的正负电解质，同时允许离子的转移。

橡树岭国家实验室的科学家们现在已经为一种基于钠的非水RFB系统开发出了一种薄膜。这种薄膜可将水基RFB系统的能量密度增加1倍或3倍。这项工作由美国能源部电力办公室及其储能计划和橡树岭国家实验室提供资金资助。

一种钠离子导电膜，用于非水氧化还原液流电池。图片来源：橡树岭国家实验室/Carlos Jones

该薄膜由普通的低成本聚合物聚环氧乙烷（PEO）制成。通过添加增塑剂：四甘醇二甲醚，其导电性提高了100倍。然而，该共混物也降低了膜的机械强度。 为抵消这种影响，科学家们将PEO与羧甲基纤维素混合—羧甲基纤维素是另一种常见的安全材料，通常用于食品工业中的增稠剂。所有三种物质的组合产生非常耐用的薄膜，预期其在高能电池中会有出色的表现。

来自橡树岭国家实验室材料科学与技术部门的首席研究员Jagjit Nanda说道，“非水氧化还原液流系统在高压下工作，能够实现更高的能量密度。但关键是：我们不仅要获得高能量密度电池，而且还不能造成任何成本损失。”

能源和运输科学部的合作者之一Rose Ruther说道：“这真的是与该系统的化学性质有关，而且我们还需要了解它们之间如何相互联系相互影响。另外，我们也需要弄清楚为什么我们的薄膜电导率得到了很大的提高。”

该研究在最近发表于杂志《ACS Energy Letters》的期刊论文“用于非水氧化还原液流电池的低成本、高机械强度、钠离子传导薄膜”中有详细介绍。

“为电网找到能量存储解决方案是一个巨大的推动力。大型储能系统可能是一个非常昂贵的提议，”Ruther说道。“成本随尺寸而发生变化。因此，如果我们能够增加电池存储能量密度，那么可以显著降低成本。”

Nanda表示，“圣杯系统不会使用稀缺且昂贵的资源，并且凭借比现有电池技术更低的成本，其商业化潜力更高。目前系统中最薄弱的环节是薄膜，但是我们已通过这种新型低成本原型在解决这个问题方面取得了一定的进展。”

该项目的下一步是进一步研发薄膜，使其更有选择性地防止反离子之间的交换，并提高其机械柔性和耐用性。

原文来自techxplore，原文题目为Novel membrane advances low-cost, grid-scale energy storage，由材料科技在线团队汇总整理。

中科院大连化物所在高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究方面取得新进展

2018年5月，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部李先锋研究员、张华民研究员领导的研究团队在高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究方面取得新进展。研究成果作为“Very Important Paper”在线发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术，液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点，在大规模储能领域具有很好的应用前景。锌碘液流电池由于电化学活性好，电解质溶解度高，能量密度高（理论能量密度可达250.59Wh/L）等优势，具有很好的研究和应用前景。但是目前锌碘液流电池存在循环寿命短，功率密度低的问题。

为解决以上问题，该研究团队提出利用廉价的聚烯烃多孔膜（15美金/m2）替代昂贵的全氟磺酸离子交换膜，大大降低了电池成本。此外，该体系使用KI和ZnBr2的混合溶液作为电池的正负极电解质，大大提高了中性环境下电解质的电导率和稳定性。由于聚烯烃多孔膜的多孔结构在中性环境下表现出优异的离子传导能力，电池的工作电流密度大幅度提高。实验结果表明，在80mA/cm2下运行，单电池能量效率达82%，较之前报道的锌碘体系提高了8倍，能量密度达80Wh/L；在180mA/cm2运行条件下，电池的能量效率超过70%，表现出很好的功率特性。更为重要的是，聚烯烃多孔结构中充满的氧化态电解液I3-可以与锌枝晶反应，解决了由于锌枝晶导致的电池循环寿命差的问题。即便是电池因为锌枝晶发生短路，电池性能也能够通过膜孔中I3-对锌枝晶的溶解作用实现自恢复。该体系单电池在80mA/cm2下连续运行超过1000圈，性能无明显衰减，表现出很好的稳定性。为进一步证实该体系的实用性，研究团队成功集成出kW级电堆，该电堆在80mA/cm2下稳定运行超过300个循环，能量效率稳定在80%，表现出很好的可靠性。该电池目前仍处于研究初期阶段，需进一步提高其高电流密度下的可靠性，推进其实用化和产业化。

上述工作为开发新一代高性能的液流电池新体系提供了很好的借鉴，也为其他锌基液流电池的研发提供了新的思路。

关于张江发展战略研究院

上海张江发展战略研究院是张江国家自主创新示范区的智库和智囊。主要承担了5项工作：

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