用于储存电网电力的液流电池

新设计将使风能和太阳能更加实用。 

  研究人员将传统液流电池单元的电极和膜的形状由平板改成管状，使得电池的尺寸缩小了75%，可以降低在电网中储存可再生能源的成本。

与将能量存储在固体电极的锂离子电池不同，液流电池将化学能存储在罐内的液体电解质中。在电化学电池单元堆成的电源模块中，这种存储的电量可转换为电流（反之亦然）。

每个电池单元中，正极和负极被一层膜隔开，电池在充电和放电时，某些离子可允许通过这层膜。电池运行需要在电化学电池的两侧泵入两种电解质。

理论上，通过扩大电解质罐的尺寸，可将液流电池存储的电量提高到兆瓦时级。此外，液流电池也比锂离子电池更安全、更持久。虽然它们的成本仍然很高，每千瓦时的建造成本约为800美元，是锂离子电池的2倍多，“但它们未来会便宜很多，我们的工作正在加速这一过程。”乔治亚理工大学的化学和生物分子工程教授刘念说。

刘念和同事专注于重新设计电源模块，该模块的成本占液流电池成本的40%。除了扁平组件外，这些模块现在还包括非活动部件，例如框架、橡胶垫圈、双极板和流量分配器，这些部件会占用空间，因此降低了电池的功率密度。“这些也让电池更贵了。”刘念说，“而且它们不是必要的。”

该团队的设计去除了这些组件。用离子迁移材料Nafion制成0.65毫米宽的管子作为膜。研究人员在管子中穿入碳纤维阴极，再将4根管子放入一根2毫米宽的大塑料管内，然后再放入一根锌线作为阳极。在运行过程中，该团队通过外部塑料管泵入一种电解质，通过4个内部管泵入另一种电解质。

在这种设计中，电极和膜之间的距离从平面电池中常见的几毫米缩小到了不到1毫米，从而大大提高了功率密度。“我们使用较少的材料实现了相同的性能。” 刘念说，“材料越少意味着电池越便宜。”

使用锌碘化学成分（液流电池技术中使用的常见化学成分之一）进行的一项概念验证测试表明，该电池的充电密度约为1322瓦/升，放电密度约为306瓦/升。传统扁平电池的充电密度和放电密度则分别低于60瓦/升和45瓦/升。在2023年1月3日的《美国国家科学院院报》上，研究人员报告称，该电池可持续2500多次充电循环，并且兼容其他典型的液流电池化学成分。

刘念估计，管状设计应该能将液流电池电源模块的成本降低约一半。此外，电池中的所有组件都可以现货购买，扩大电池反应堆的设计应该很容易，因为它是以化学行业中常用的设计为基础的。

刘念预计，未来几年里，液流电池的总成本应该会下降。他说，目前已经有很多有关改善电解质的研究正在进行。“人们也开始考虑回收利用电解质。如果这一点得到证实，那么电解质的成本可以大大降低。”刘念说。

有一家液流电池公司正在商谈赞助进一步研究扩大管状液流电池规模。

审核编辑：刘清