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美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发出便宜耐用的电池隔膜 发布日期:2019-11-18 21:05 浏览量:

导读

据美国动力部劳伦斯伯克利国家试验室官网近来报导,该试验室研讨人员使用一种称为“AquaPIMs”的聚合物,开宣布一款多功能且廉价的电池隔阂。这种聚合物可制作耐久经用、本钱低价的栅极电池。

布景

咱们怎么才干存储可再生动力,在有需求的时分能够用得上,乃至是在没有阳光或许刮风的时分?为了处理这个问题,人们为电网规划了巨型电池,也称为“流体电池”,它能将电能存储在液体电解质中。

(图片来历:Michael Aziz/Harvard SEAS)

可是到现在为止,电力公司还未能找到一种经济、高效、牢靠的电池,跨过10年至20年的生命周期,为几千个家庭供电。

立异

近来,美国动力部劳伦斯伯克利国家试验室(Berkeley Lab)的研讨人员开发的一项电池隔阂技能,将为妥善处理这个问题供给一种方案。

正如在《Joule》期刊所报导的,研讨人员们使用一种称为“AquaPIMs”的聚合物,开宣布一款多功能且廉价的电池隔阂。这种聚合物可制作耐久经用、本钱低价的栅极电池。这种电池有或许单单根据可容易获取的资料,例如锌、铁与水。团队也开宣布一个简略的模型,然后展现不同的电池膜是怎么影响电池生命周期的。这个模型有望加快流体电池技能的前期研制,特别是为不同电池化学物质寻觅适宜的薄膜。

AquaPIM 样本(图片来历:Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

技能

联合储能研讨中心(JCESR)首席研讨员、伯克利试验室分子铸造厂的科学家、这项研讨的领导者 Brett Helms 表明:“咱们的 AquaPIM 隔阂技能选用了可扩展、低本钱的水基化学物质,有利于加快流体电池的商场开发。选用咱们的技能,合作电池功能与生命周期的经历模型,其他研讨人员可评价电池中每个组件的状况,从隔阂到储能资料。这将为研讨人员以及产品开发者节省时刻与资源。”

大多数栅极电池的化学物质具有高度碱性的电极,一侧是带正电的正极,另一侧是带负电的阴极。可是,现在最先进的隔阂是为酸性化学物质而规划的,例如燃料电池中的氟化膜,但不适用于碱性流体电池。(在化学中,pH值是溶液中氢离子浓度的一种衡量。纯水的pH值为7,呈中性。从另一方面说,碱性溶液的氢离子浓度较低,因而具有较高的pH值,或许说pH值高于7。在碱性电池中,pH值能够高达14或许15。)

氟化聚合物薄膜也是十分贵重的。据 Helms 称,它们占有了电池本钱的 15%到20%,能够在300美元/千瓦时的范围内运转。

Helms 研讨组的研讨生研讨员、论文榜首作者 Miranda Baran 表明,下降流体电池本钱的一项方案便是消除整个氟化聚合物膜,选用一种高功能的廉价替代品,例如 AquaPIMs。Baran 也是加州大学伯克利分校化学系的博士生。

下图所示:伯克利试验室分子铸造厂的研讨生 Miranda Baran 在预备 AquaPIM 样本。

(图片来历:Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Helms 以及论文合著者们开发了 AquaPIM 技能(它代表“天然生成具有微孔的水溶性聚合物”),一同与JCESR首席研讨员、麻省理工学院资料科学与工程系教授 Yet-Ming Chiang 一同合作为碱性水溶液开发聚合物膜。

研讨人员经过这些前期试验学习到,经过一种称为“酰胺肟”的特别化学物质修正隔阂,能够使得离子在正负极之间敏捷移动。

之后,研讨人员们经过不同栅极电池化学物质评价 AquaPIM 膜的功能与兼容性。例如,一个试验选用锌作为负极,铁基化合物作为正极。与此一同,研讨人员们还发现 AquaPIM 隔阂带来极端安稳的碱性电池。

此外,他们还发现 AquaPIM 原型产品保留了正极和负极中的电荷存储资料的完整性。当研讨人员们在伯克利试验室的先进光源(ALS)描绘薄膜特征时,他们发现这些特征关于 AquaPIM 的不同变种来说是通用的。

然后,Baran 及其合作者们测试了 AquaPIM 膜怎么与碱性电解质一同作业。他们在这个试验中发现,在碱性条件下,聚合物绑定的酰胺肟是安稳的,令人惊奇的是,这种有机资料在高pH值条件下特别安稳。

Helms 解释道,这种安稳性避免了 AquaPIM 膜的孔崩塌,使之可随着时刻推移坚持导电性,且不损失任何功能,而商用的含氟聚合物膜会像意料的那样崩塌,然后有损其离子传输特性。

下图(左):AquaPIM 由特种的聚合物制成,它能在高pH值的状况下变得离子化,生成可高度导电并具有高度选择性的孔。下图(右)这种资料能够被塑造成各种形状,例如一种独立式的膜。

(图片来历:Brett Helms/Berkeley Lab)

与伯克利试验室分子铸造厂履行主任、JCESR 首席研讨员、博士后 David Prendergast 一同作业的博士后研讨员 Artem Baskin 的理论研讨也进一步证明了这种行为。

Baskin 使用伯克利试验室国家动力研讨科学核算中心(NERSC)的核算资源模拟了 AquaPIM 膜,并发现组成膜的聚合物结构在碱性电解质中的高碱性条件下,抗塌孔才能很强。

在经过各种栅极电池化学物质评价 AquaPIM 膜的功能与兼容性的一同,研讨人员们开发了一个模型,将电池的功能与各种膜的功能联系起来。这种模型能够意料流体电池的生命周期和功率,而且无需结构整个设备。他们也演示了类似的模型能够应用于其他的电池化学物质以及它们的膜。

Helms 表明:“一般来说,你有必要等候数周或许数月,来搞清楚电池在组装成整个单元后能够保持作业多久。经过选用简略且快速的薄膜挑选,你能够将这个时刻缩减至几小时或许几天。”

未来

研讨人员的下一个方案是将 AquaPIM 膜应用于更广泛的水流体化学物质,从金属和无机物到有机物和聚合物。他们也着重,这些膜与其他的碱性锌电池兼容,包含那些选用氧、氧化锰或许金属有机结构作为正极的电池。

关键字

电池、聚合物、流体电池

参考资料

【1】Miranda J. Baran, Miles N. Braten, Swagat Sahu, Artem Baskin, Stephen M. Meckler, Longjun Li, Lorenzo Maserati, Mark E. Carrington, Yet-Ming Chiang, David Prendergast, Brett A. Helms. Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Microporosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical Devices. Joule, 2019; DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.025

【2】https://newscenter.lbl.gov/2019/11/07/grid-battery-for-renewable-energy/

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