麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出新型無(wú)膜氫溴電池，低成本高容量

麻省理工學(xué)院機械工程系的研究人員近日開(kāi)發(fā)出一種新型無(wú)膜氫溴電池，其性能與傳統的有膜電池相當，卻大大降低了成本，在低成本高容量電化學(xué)儲能技術(shù)上取得了新的進(jìn)展，有望深刻改變當今的能源格局。

當今儲能技術(shù)成本太高

在當今的能源市場(chǎng)上，電能來(lái)源十分豐富，既有傳統的煤電、油電、水電，也有正在大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源。用戶(hù)的需求也不是衡定不變的，存在著(zhù)用電的波峰波谷。因此一個(gè)不容忽視的重要技術(shù)環(huán)節就是儲能技術(shù)。所謂的儲電能力意味著(zhù)當電力供應充足時(shí)，可將其儲存起來(lái)，需要電時(shí)，則可以提供。儲能能力強不僅可以確保骨干電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)高效穩定地提供電力供應，也是大規模使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等間歇性能源的有力保障，尤其是發(fā)展中國家及移動(dòng)業(yè)都對便攜式儲能裝置有著(zhù)強烈的需求。

電化學(xué)儲能系統，如電池和燃料電池等，在儲能技術(shù)上的應用前景十分廣闊。它們可以快速高效地充放電。特別是在利用太陽(yáng)能或風(fēng)能時(shí)，可以在太陽(yáng)照耀時(shí)儲存電能，或風(fēng)力強勁時(shí)儲能，然后在多云或風(fēng)淡的時(shí)候，在幾分鐘內把電供應出來(lái)。此外它們還十分靈活便捷，哪里需要，就可以把他們放置在哪里。

不過(guò)電化學(xué)儲能系統面臨的最大問(wèn)題是成本問(wèn)題，即便是最好的電化學(xué)儲能裝置要想擁有較大的容量，其成本也會(huì )令人難以接受。舉例來(lái)說(shuō)，一卡車(chē)大小的鋰電池可以提供大量的能量，但是成本實(shí)在太高了。因此發(fā)展可再生能源與其說(shuō)是技術(shù)問(wèn)題，倒不如說(shuō)是缺少具有成本效益的儲能技術(shù)手段。

隔離膜：氫溴儲能系統的最大難題

在研究和探索大規模電化學(xué)儲能裝置的過(guò)程中，人們開(kāi)始把注意力集中在氫溴儲能系統。這兩種反應物有一些獨特的品性，引人關(guān)注。和鋰相比，溴價(jià)格便宜，容易獲得，且儲量豐富。其原子序數為35，是一種鹵素，最外層上有7個(gè)電子，容易形成8電子穩定結構，所以是活潑的非金屬單質(zhì)，而氫恰恰可以提供一個(gè)電子。因此在氫和溴之間可極其迅速地發(fā)生化學(xué)反應，其速度比氫氧反應要快，其電流也較大，而目前的高容量電化學(xué)儲能裝置大多依靠氫氧化學(xué)反應。

但當氫和溴發(fā)生自發(fā)反應時(shí),由于反應過(guò)于迅速，其能量大多會(huì )以熱能的形式白白浪費掉。為了解決這一難題，電化學(xué)儲能系統的設計師們通常利用價(jià)格不菲的隔離膜將其分開(kāi)。有膜氫溴儲能系統又存在另外一個(gè)問(wèn)題，就是隨著(zhù)時(shí)間的推移，當電化學(xué)儲能設備內部產(chǎn)生氫溴酸后，會(huì )損壞隔離膜。因此，30年來(lái)氫溴液流電池的研究進(jìn)展十分緩慢。

其實(shí)答案十分明顯，如果要想有效地開(kāi)發(fā)利用氫溴電化學(xué)儲能系統，最重要的是要想辦法擺脫掉隔離膜。有這樣想法的人很多，不僅是現在的科學(xué)家想到了，過(guò)去也有人想到過(guò)這樣的方法。在過(guò)去的10年中，有許多科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了無(wú)膜氫溴電化學(xué)儲能系統。這些系統主要利用流體力學(xué)的層流技術(shù)，使反應物發(fā)生分離。在正確的條件下，兩種液體流并行流動(dòng)，兩者之間很少或幾乎不發(fā)生混合。不過(guò)這樣的無(wú)膜電化學(xué)儲能系統的電功率從來(lái)沒(méi)有超過(guò)有膜系統，因此無(wú)膜電化學(xué)儲能系統一般作為一種學(xué)術(shù)興趣來(lái)開(kāi)展研究，在商業(yè)上不存在可行性。

無(wú)膜氫溴儲能系統的大膽創(chuàng )新

麻省理工學(xué)院機械工程系的研究人員產(chǎn)生了一個(gè)大膽又新穎的想法，就是能否綜合無(wú)膜儲能系統和氫溴化學(xué)性質(zhì)的各自?xún)?yōu)勢，把兩個(gè)有局限的系統放在一起，獲得比任何一個(gè)單獨系統要好的結果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發(fā)展的弊端，同時(shí)還可以取代傳統的無(wú)膜氧基電池表現不佳的缺點(diǎn)。

氫溴反應有一個(gè)最大的特點(diǎn)就是其反應的可逆性。通常無(wú)膜燃料電池進(jìn)去的反應物和出來(lái)的產(chǎn)品是不同的，因此這些系統通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。氫溴化學(xué)反應的產(chǎn)品是電解質(zhì)。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達到充電的效果。這樣就可以形成一個(gè)“閉環(huán)”模式，使無(wú)膜充電電池成為可能。

麻省理工學(xué)院設計的最新氫溴電化學(xué)儲能系統的頂部是一種含有少量鉑(Pt)催化劑的多孔陽(yáng)極，底部是固體石墨陰極。陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)著(zhù)電解液氫溴酸，含有帶負電荷的溴離子和帶正電的氫離子。

在放電模式下，氫溴酸電解質(zhì)從左側進(jìn)入主通道，在電極之間流動(dòng)，底部的多孔陽(yáng)極金屬網(wǎng)阻止電解液滲透。氫氣從頂部進(jìn)入，同時(shí)，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過(guò)一個(gè)單獨的通道進(jìn)入。在陽(yáng)極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負電荷的電子，然后通過(guò)不同的路徑移動(dòng)到陰極。氫離子通過(guò)電解液，而電子經(jīng)外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負電荷的離子。帶負電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過(guò)程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子溴則在陽(yáng)極生成。

依靠層流技術(shù)的關(guān)鍵是防止反應物達到“錯誤”的電極。這種現象稱(chēng)為交叉，可對陽(yáng)極催化劑造成損害。在新設計中，金屬網(wǎng)可使氫氣進(jìn)入電解液。

根據最新的數值模型，研究人員發(fā)現，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴散到電解液的流動(dòng)過(guò)程中，其濃度會(huì )降低。如果時(shí)間充分，溴最終會(huì )流動(dòng)到陽(yáng)極，帶來(lái)不必要的交叉影響。不過(guò)研究人員在設計中注意到了這個(gè)問(wèn)題，并采取了措施以確保溴分子反應物不會(huì )達到陽(yáng)極。

原型電池儲能的高效率及低成本令人欣喜

為了測試無(wú)膜氫溴儲能系統的概念，研究人員設計了一個(gè)小的原型電池。它由兩個(gè)0.8毫米的電極，1.4厘米長(cháng)的流道及引導反應物進(jìn)入設備的入口組成。研究人員根據不同的流量和不同的反應物濃度對原型電池進(jìn)行了一系列實(shí)驗。即便在尚未優(yōu)化的條件下，該電池在室溫和室內壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當，比其他無(wú)膜電化學(xué)儲能設備高兩到三倍。

原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環(huán)模式下，把回收的反應產(chǎn)品充入設備中進(jìn)行充電。在反向操作中，對純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實(shí)驗結果顯示，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達200mW/cm2的超過(guò)90%，是峰值功率的25%。這些結果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。

初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒(méi)有陰極催化劑，陽(yáng)極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統所需能源大小減少，這也進(jìn)一步降低了成本。研究人員目前還在繼續改善他們的系統，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應發(fā)生得很快，即便沒(méi)有隔離膜的限制，氫離子穿過(guò)電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開(kāi)發(fā)全新的電池結構，確保電解液在閉環(huán)操作的捕獲和回收過(guò)程中，不含有溴分子。