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新型溴电池:小规模演示,大规模发展前景

低成本、高容量、可充电电池有朝一日可能使太阳能和风能等间歇性能源得到广泛采用

南希W. Stauffer. · 2014年6月10日 · Mitei.

概述

麻省理工学院的一个研究小组对一种新型电池进行了首次小规模的演示,这种电池有朝一日可以为太阳能和风能装置、微电网、便携式电力系统等提供关键的低成本能源存储。这种电池使用廉价而丰富的溴元素与氢结合。在电池内部,将反应物隔开的不是通常昂贵而脆弱的膜,而是通过自然过程,即快速流动的液体流并排而不混合。而退出的产物可以与电力一起反馈进来,以恢复原始的反应物,为电池充电。该系统每平方厘米产生的功率已经是其他“无膜”系统的三倍。现在正在进行的重新设计保证了这种新型电池的更高性能。


低成本,高容量储能技术的可用性可能会深刻地改变今天的能量景观。当供应时储存电力的能力是丰富的,并且在他们不允许广泛使用太阳能和风中的间歇性来源将通过中央和分布式网格确保有效,可靠的电力输送;并将为开发国家和移动工业运营做出可便携式的能源存储。电池和燃料电池等电化学系统似乎具有能量存储工作的候选人。它们可以在需要的任何地方占据,他们可以快速有效地放电和充电。例如,与太阳能或风电场相结合,当太阳闪耀或风吹时,它们可以储存电力,然后在几分钟内递送它,当天变多云或仍然。

但是,性能最好的电化学器件通常不能以合理的成本提供大的存储容量。例如,一卡车的锂离子电池可以提供足够的能量,但成本太高。“现在阻碍可再生技术发展的不是太多的需求,比如说,一个更好的太阳能电池,而是需要一种成本有效的储存能源的方法,”他说卡伦布依,机械工程助理教授。

有前途的化学,有前途的设计

在大规模电化学器件的研究中,最近人们的注意力主要集中在使用氢和溴的系统上。这种反应物的组合有几个吸引人的特点。与锂等存储材料相比,溴的价格低廉、易得且储量丰富。溴的电负性也很强,也就是说它很想再得到一个电子;氢很乐意提供它。因此,它们之间的化学反应发生得非常快——比大多数高容量的电化学装置如燃料电池中的氢氧反应快得多——当电子被迫通过外部电路从氢移动到溴时,会产生大量的电流。但这里有一个陷阱。如果氢和溴自发反应,反应的能量就会作为热量浪费掉。电化学系统设计者通常使用一种昂贵的膜将它们分开,但随着时间的推移,该膜会被设备内部产生的氢溴酸破坏。因此,三十年的研究在氢溴流电池方面收效甚微。

到建立,马丁z Bazant他是化学工程和数学教授,以及威廉·布拉夫(William Braff)的14届博士,显而易见的答案就是去掉膜。他们不是第一个有这种想法的人。薄膜往往是挑剔和昂贵的,不管涉及的化学成分。因此,在过去的10年里,研究小组一直在设计无膜的电化学系统,利用流体力学——特别是层流的物理——来分离反应物。在适当的条件下,两股液体会平行流动,紧挨着彼此,而它们之间几乎没有混合。然而,没有一种使用各种化学物质的无膜燃料电池能达到与基于膜的燃料电池相同的功率密度。巴赞特说:“所以从学术角度来看,这种架构很有趣,但在商业上可能并不可行。”

一个新颖的组合

四年前,布伊和布拉夫——当时是机械工程专业的研究生,现在是expono的助理研究员——开始探索一个新的想法:将氢溴化学与无膜细胞结构结合起来。Buie说:“我们的想法是把这两种有限的技术结合起来,得到比单独使用任何一种技术都更好的东西。”他们的方法可以消除限制氢溴燃料电池发展的薄膜,并可以取代典型的氧基化学物质,这种化学物质已经减缓了以前的无膜电池的性能。

另外一个好处是溴化氢反应的可逆性。在大多数无膜细胞中,进入的反应物和出来的产物是不同的。因此,这些系统通常是“直通”燃料电池,需要连续不断的新鲜反应物。在溴化氢化学中,反应的产物就是电解质本身。电解液与外部电源的电一起被回收到电池中,产生氢和溴,从而为系统充电。因此,它可以在“闭环”模式下工作,使第一个无膜可充电电池成为可能。

为了测试他们的新想法的可行性,Buie和Braff花了一年的时间对无膜氢溴系统进行理论研究。基于他们有希望的结果,他们与巴赞特合作,将他的建模专业知识带到这个项目中,并对这个概念进行实验实施。

电池设计与运行

下图显示了其系统。顶部是含有少量铂(Pt)催化剂的多孔阳极。在底部是一个固体石墨阴极。在它们之间流动电解质 - 氢溴酸(HBr),带带负电溴和带正电荷的氢气悬浮在水中的电中性组合。

无膜氢溴电池(放电模式)

该图显示了电池在放电模式下工作(即送电)。氢溴酸电解质从左侧进入主通道,并在顶部和底部电极之间流动。在多孔阳极的底面上有一个防水金属网,防止电解液渗入。中性氢气(H2)——燃料从顶部流过,其中一些进入多孔阳极。同时,更多的氢溴酸与少量的中性分子溴(Br2) -氧化剂渴望添加一个电子。这两股水流相邻流动,混合程度最小。

在阳极上,铂催化分解氢气的反应,形成带正电荷的氢离子(H+)和带负电的电子(E- - - - - -)。两者都通过不同的路径移动到阴极。氢离子通过电解质,但电子不能跟随,而是通过外部电路,在这个过程中为设备供电。在阴极处,溴迅速吸收电子并带负电荷。带负电的溴和带正电的氢离子在溶液中形成更多的氢溴酸——电解质。

在再充电期间,氢溴酸被反馈到电池中,以及来自外部电源的电子。氢离子返回到阳极,在那里它们成为分子氢气,以及阳极的分子溴改性。系统现在重置。

依赖层流的一个关键挑战是防止反应物到达“错误的”电极。这种被称为交叉的现象会造成损害,尤其是阳极上昂贵的催化剂。在新的设计中,金属网防止氢气进入液态电解质。但是溴是个问题。使用一个新的数值模型,研究人员估计了分子溴在他们的流电池内不同位置的浓度。原理图中的颜色显示了它们的结果。白色表示溴浓度最高。浓度从黄色下降到橙色,在黑色区域达到零。

该图表明溴沿阴极耗尽,在那里它变成氢溴酸。溴浓度也在电解质旁边减少 - 其扩散到电解质流中的结果。给予足够的时间,溴将最终到达阳极,带来不必要的交叉效应。然而,在他们的设计中,反应物在这种情况下将在这一时远离系统。“我们可以看到菠萝在阳极附近变得无处可行,”Buie说。“这就是我们想要的。”

上图所示为氢溴电池的关键部件,包括液溴和碳阴极。组装的小型原型如下所示。照片:斯图亚特Darsch

初步示范,成本估计

作为薄膜氢溴概念的第一次测试,BRAFF设计并构建了左侧照片中显示的小型示范单元。它由两个电极分开0.8 mm,它们之间的1.4厘米长的流动通道,以及将反应物引导到装置中的入口。然后他在一系列流速和反应物浓度上进行了一系列实验。演示单元 - 甚至在优化之前 - 实现了每平方厘米795毫瓦的最大功率密度(MW / cm2)在室温和压力下。这种性能与具有膜的最佳溴细胞相当,并且它比使用任何化学的任何先前膜的设计都越好两到三倍。

演示电池有效充电的潜力同样很有前景。研究人员现在正在测试闭环模式的运行,将反应产物回收到设备中进行充电循环。但在之前的工作中,他们通过在纯氢溴酸中注入电来测试反向操作,成功地制造出了氢和溴,从而回收了它们的原始材料。通过结合正反两种模式下的实验结果,他们制作了下图,显示了在三种反应物浓度下,往返电压效率与功率密度的函数关系。最高的浓度带来最大的功率密度,在200mw /cm的双向电压效率超过90%2- 25%的峰值功率。那些早期结果表明了高功率高效放电循环的潜力。

研究人员的初步成本预测也有望。在具有质子交换膜的传统氢氧燃料电池中,催化剂和膜在一起可占每千瓦时总成本的一半。新的溴化溴电池不需要膜,阴极处没有催化剂,阳极处的催化剂远低于较低的催化剂。另外,由于溴溴电池中的功率密度较高,所以提取功率所需的系统的尺寸减小,进一步降低了成本。“所以你显着降低了成本 - 这是我们的基本动机,”博泽兰说。“我们相信,我们的系统有可能以储蓄为公用事业公司提供储能储存 - 这可能是第一个可以这样做的系统。”

演示单元的功率与往返效率

作为对电池充放电效率的第一次测试,研究人员先在放电模式下运行电池,然后使用新鲜的氢溴酸在充电模式下回收反应物。这些曲线显示了在不同的氢溴酸和溴浓度下,这些过程的效率随功率密度的变化。功率密度在最高浓度时最高,在功率密度为200毫瓦每平方厘米时,往返效率超过90%。

更多的改进

研究人员正在继续改进他们的系统。例如,他们试图通过使电极更紧密来获得更高的功率密度。因为所有的反应都非常快,氢离子穿过电解质流所需的时间是其系统的主要限制因素,即使电解质具有高电导率且没有膜。

此外,他们正在开发一种全新的电池结构,以确保电解质在闭环操作中被捕获和回收时不含分子溴。巴赞特说:“新设计基于同样的概念,但它是一个完全不同的建筑。”“这就是我们现在真正开拓的地方....我们正朝着一个前所未有的方向前进。”在这一点上,他们系统的问题都涉及他所说的已知物理。他说:“如果它的表现不如我们希望的那样好,我们有预测模型,可以帮助我们重新设计河道的形状和流速,使其变得更好。”“这是一个可以解决的问题。”


这项研究由麻省理工学院能源倡议提供资金156manbetx.com种子基金项目,美国国防部通过国防科学和工程研究生奖学金计划,而马萨诸塞州清洁能源中心催化剂计划。更多信息可以找到:

西澳Braff。用于大规模储能的氢溴流体流动电池。博士论文,2014年2月的机械工程系。

w。a。Braff, m。z。Bazant和c。r。Buie。“无膜氢溴流电池。”自然通讯,4:2346 DOI:10:1038 / ncomms3346,2013。

w。a。Braff, c。r。Buie, m.z。Bazant。"无膜电化学电池的边界层分析"电化学学会杂志,卷。160,否。11,页面A2056-A2063,2013。


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