新的流量电池可以加速由太阳和风力供电的电网

Berkeley Lab科学家已经为电网开发了一种可负担得起的电网，来自一类名为AquaPim的新类别。

你如何存储可再生能量，所以当你需要它时，即使太阳不闪耀或风不会吹？专为电网而设计的巨型电池，称为流动电池，储存液体电解质罐中的电力 - 可能是答案，但到目前为止，公用事业公司尚未找到一种经济高效的电池，可以在整个生命周期中可靠地能够可靠地为千万的家庭能够可靠地电源10到20年。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）开发的电池膜技术可能指向一个解决方案。

据报道，在焦耳期刊中，研究人员开发了一种多功能但经济实惠的电池膜 - 来自一类称为Aquapims的聚合物。这类聚合物仅基于易于获得的材料，如锌，铁和水等延续和低成本的电网。该团队还开发了一个简单的模型，显示了不同的电池膜如何影响电池的寿命，预计将加速流动电池技术的早期研发，特别是在寻找不同电池化学的合适膜。

“我们的AquaPim膜技术很好地加速了使用可扩展，低成本，水性化学的流动电池市场的路径，”能源存储研究联合中心的主要调查员Brett Helms（JCESR）伯克利实验室的员工科学家领导了研究。“通过使用我们的技术和随附的电池性能和寿命的实证模型，其他研究人员将能够快速评估从膜进入电池的每个部件的准备情况，从膜到电荷储存材料。这应该节省研究人员和产品开发人员的时间和资源。“

具有离子选择性AquaPim膜的流动电池的示意图（以米色注明）。Berkeley Lab科学家发现这种模型可以预测电网的流动电池的寿命和效率，而无需构建整个装置。

大多数电网电池化学物质具有高度碱性（或基本）电极 - 一侧的带正电的阴极，另一侧的带负电荷的阳极。但目前最先进的膜专为酸性化学设计而设计，例如在燃料电池中发现的氟化膜，但不适用于碱性流动电池。（在化学中，pH是溶液的氢离子浓度的量度。纯净水的pH为7，被认为是中性的。酸性溶液具有高浓度的氢离子，并被描述为具有低pH或低于7的pH。另一方面，碱性溶液具有低浓度的氢离子，因此具有高pH或高于7的pH。在碱性电池中，pH可以高达14或15.）

氟化聚合物膜也是昂贵的。根据掌舵，他们可以占电池成本的15％至20％，可以在300美元/千瓦时运行。

推动流量电池成本的一种方法是消除闪烁的氟化聚合物膜，并在Helms的研究组和研究领先的研究员的研究生麦兰达巴坦表示，如AquaPims的高度表现更便宜的替代方案作者。巴兰也是一个博士学位。在UC Berkeley化学系的学生。

回到基础知识

Helms和共同作者发现了AquaPim技术 - 代表“内在微孔的水性相容性聚合物” - 同时为含水水溶性（或基本）系统的聚合物膜作为与联合作家的合作的一部分，a Massachusetts理工学院JCESR和Kyocera材料科学与工程教授的主要调查员（麻省理工学院）。

通过这些早期的实验，研究人员了解到膜用异国体外化学改性，称为“偕胺肟”允许离子，以快速行进阳极和阴极之间。

Aquapim流量电池膜。

后来，同时评估AquaPim膜的性能和与不同的电池电池化学物质的兼容性 - 例如，使用锌作为阳极的一个实验设置和作为阴极的铁基化合物 - 研究人员发现AquaPim膜导致良好的碱性细胞。

此外，他们发现AquaPim原型保留了阴极和阳极中的电荷储存材料的完整性。当研究人员在伯克利实验室的先进光源（ALS）的特征时，研究人员发现这些特征在AquaPim变体上是普遍的。

然后，Baran和她的合作者测试了Aquapim膜如何用碱性电解质进行。在该实验中，他们发现，在碱性条件下，考虑到有机材料在高pH下通常不稳定，偕少氧基稳定性是稳定的。

这种稳定性阻止了AquaPim膜孔隙塌陷，从而使它们随时间随时间的性能的任何损失保持导电，而是商业氟聚合物膜的孔按预期塌陷，以损害其离子输送性质，Helms解释。

该行为与Artem Baskin的理论研究进一步证实了由David Praendergast的博士后研究员，他是伯克利实验室分子代理人的代理总监以及JCER和Helms的主要调查员。

使用伯克利实验室国家能源研究中心（NERSC）计算资源的AquaPim膜的Baskkin模拟结构，发现构成膜的聚合物结构在碱性电解质中高基本条件下孔隙塌陷显着抵抗。

筛选更好的电池

在评估AquaPim膜的性能和与不同电网化学物质的兼容性的同时，研究人员开发了一种模型，将电池的性能与各种膜的性能相关联。该模型可以预测流电池的寿命和效率而无需构建整个设备。他们还表明，类似的模型可以应用于其他电池化学物质及其膜。

“通常，如果在组装整个细胞后，您必须等待几个月的时间，如果在组装整个细胞后，电池将持续多长时间。通过使用简单且快速的膜屏，可以将下降到几个小时或几天，“Helms说。

研究人员下次计划将AquaPim膜应用于较宽范围的水流电池化学物质，从金属和无机物到有机物和聚合物。它们还预期这些膜与其他碱性锌电池相容，包括使用氧气，氧化锰或金属有机框架作为阴极的电池。

伯克利实验室，UC Berkeley，马萨诸塞州理工学院的研究人员，以及Istituto Italiano di Tecnologia参加了这项研究。

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参考：“由横跨无流传水化学设备的聚合物的膜的设计规则”通过Miranda J. Baran，Miles N.Baran，Swagat Sahu，Artem Baskin，斯蒂芬M. Meckler，Longjun Li，Lorenzo Maserati，Mark E. Carrington ，yent-ming chiang，David Prendergast和Brett A. Helms，2019年10月10日，joule.doi：
10.1016 / J.Joule.2019.08.025

这项工作得到了由美国能源部资助的能源创新枢纽（JCESR）联合中心的支持，由美国能源部资助。与清洁能源技术相关的天然气分离中心提供额外资金，这是一个科学能源前沿研究中心的DOE办公室。

在伯克利实验室的分子铸造中进行了一部分工作，包括聚合物合成和表征，专门从事纳米级科学的科学用户设施办公室。

该研究还使用ALS的GIWAXS（放牧发生广角X射线散射）仪器来表征AquaPims，并在NERSC下进行超级计算资源以模拟聚合物。ALS和NERSC是DOE科学用户设施办公室。