小規模液流電池原型系統加速儲能研究

Flow 式電池架構已經(jīng)顯示出在低成本、長(cháng)壽命的公用事業(yè)規模儲能系統中的巨大應用潛力?，F在，美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗室 （PNNL） 的研究人員正在通過(guò)快速原型系統加速其商業(yè)化，該系統使他們能夠使用緊湊、低成本的“迷你流動(dòng)電池”快速評估有前途的流動(dòng)式電池新材料、工藝和技術(shù)（圖 1）。

太平洋西北國家實(shí)驗室圖1. PNNL 的電池研究員 Ruozhu Feng 拿著(zhù)一個(gè)微型流通池的原型。

據 PNNL 稱(chēng)，他們重新設計的微型流通池與傳統流通池的內部結構非常相似，縮小了 5 倍。但是，盡管尺寸較小，但微型流通池的性能與大型流通池相當。因此，新的電池測試系統需要的起始材料減少了一個(gè)數量級，同時(shí)提供的結果與標準的實(shí)驗室規模測試系統相同。

新的微型流通池設計和實(shí)驗驗證的詳細信息在發(fā)表在《電化學(xué)學(xué)會(huì )雜志》上的一篇文章中進(jìn)行了描述。

小液流電池帶來(lái)大結果

“這份報告是第一步，表明縮小我們的實(shí)驗系統規模是有效的，”該研究的主要作者、材料科學(xué)家和液流電池研究員 Ruozhu Feng 說(shuō)?！拔覀兊淖罱K目標是將 AI 和機器人技術(shù)的強大功能引入這一過(guò)程，以自動(dòng)化和加速新液流電池設計的測試?！?/p>

通過(guò)減少所需的材料量并加快驗證過(guò)程，這項技術(shù)可以幫助推進(jìn)可再生能源解決方案。研究人員還認為，這種小型化方法將有助于使用更廣泛的實(shí)驗化學(xué)成分進(jìn)行實(shí)驗（圖 2）。

馮若珠 |太平洋西北國家實(shí)驗室一種新的微型液流電池（右）旨在加快有前途的新型液流電池技術(shù)的測試。

“目前，當我們確定有前途的新電池配方時(shí)，我們必須準備大量材料，這需要很多時(shí)間，”Feng 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)這種微型流通池工藝，我們可以弄清楚擬議的新材料是否只在少量（毫克）可用的情況下有效?！?/p>

微型流通池設計面向專(zhuān)注于快速篩選和開(kāi)發(fā)新電池材料的研究實(shí)驗室。在他們的研究中，該團隊表明，新型微型流通池適用于快速驗證材料穩定性。對各種材料化學(xué)成分和濃度的嚴格測試有助于增強研究人員對新型按比例縮小的系統充滿(mǎn)信心。

液流電池 101

顧名思義，液流電池由兩個(gè)腔室組成，每個(gè)腔室都充滿(mǎn)不同的液體。電池通過(guò)電化學(xué)反應充電，并以化學(xué)鍵形式儲存能量（圖 3，頂部）。當連接到外部電路時(shí)，它們會(huì )釋放能量，從而為電氣設備供電。

薩拉·萊文 |太平洋西北國家實(shí)驗室

圖3. 在這個(gè)商業(yè)規模液流電池的例子中，水系鐵 （Fe） 氧化還原液流電池以電子 （e-） 的形式捕獲能量，并通過(guò)改變流動(dòng)液體電解質(zhì)中的鐵電荷（上圖）來(lái)儲存能量。當需要儲存的能量時(shí)，鐵可以釋放電荷，向電網(wǎng)（底部）提供能量（電子）。

液流電池是一項關(guān)鍵技術(shù)，它們存儲來(lái)自風(fēng)能和水力發(fā)電等間歇性能源的能量，然后根據需要釋放這些能量用于電網(wǎng)規模的應用（圖 3，底部）。與傳統電池不同，液流電池使用儲存在外部油箱中的液體電解質(zhì)，可靈活擴展能量容量。

加速液流電池的發(fā)展

傳統上，液流電池新材料的發(fā)現是一個(gè)費力的試錯過(guò)程，通常需要克級有機化合物合成、廣泛的測試和大量時(shí)間投入。這種新的小型化單元設計，大約有撲克牌那么大，使用相當于幾粒沙子，大大減少了每次測試所需的時(shí)間和資源，同時(shí)仍然提供可靠的結果（圖 4）。

科特蘭·約翰遜 |太平洋西北國家實(shí)驗室圖4. 商用、電網(wǎng)規模的電池儲能系統是實(shí)驗性微型流通池尺寸的 1,000 倍到 2,000 倍。

除了 Feng、Liyu 和 Kim 之外，研究團隊還包括 PNNL 科學(xué)家 Chao Zeng、Carter C. Bracken、Yanang Liang 和首席研究員 Wei Wang。這項研究得到了儲能研究聯(lián)盟 （ESRA） 的支持，該聯(lián)盟是由美國能源部科學(xué)辦公室基礎能源科學(xué)計劃資助的能源創(chuàng )新中心，以及 PNNL 實(shí)驗室指導的戰略研究投資儲能材料計劃。

ESRA 聯(lián)合了來(lái)自國家實(shí)驗室和大學(xué)的領(lǐng)先專(zhuān)家，為能源存儲和下一代電池發(fā)現鋪平了道路，這將塑造電力的未來(lái)。

使美國新興能源行業(yè)受益的團隊努力

微型流通池的首席研究員兼設計師 Soowhan Kim 表示，他們成功的關(guān)鍵在于該團隊在流通電池設計方面擁有十多年的經(jīng)驗，以及工程、熟練的加工和化學(xué)經(jīng)驗。例如，PNNL 儀器和系統控制專(zhuān)家 Andrey Liyu 利用他的機械工程和微流體經(jīng)驗，在不犧牲精度的情況下完成了規?？s小。

“從小電池到大堆棧，我們可以處理各種規模的液流電池設計和實(shí)驗，”P(pán)NNL 的 Grid Storage Launchpad 的首席研究員 Kim 說(shuō)?！爱斘覀兗由嫌嬎銓?zhuān)業(yè)知識和分析化學(xué)經(jīng)驗時(shí)，這就是我們共同努力開(kāi)發(fā)微型流通池的方式。我們希望向所有有興趣使用它的研究人員提供此功能。