美国开发新型电池隔膜技术：可用于制造经济高效可靠的液流电池！

据美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室官网近日报道，该实验室研究人员利用一种称为“AquaPIMs”的聚合物，开发出一款多功能且便宜的电池隔膜。这种聚合物可制造持久耐用、成本低廉的栅极电池。

本文来源：IntelligentThings 微信公众号 ID：IntelligentThings 作者：John Zhang

背景

我们如何才能存储可再生能源，在有需要的时候可以用得上，甚至是在没有阳光或者刮风的时候？为了解决这个问题，人们为电网设计了巨型电池，也称为“液流电池”，它能将电能存储在液体电解质中。但是到目前为止，电力公司还未能找到一种经济、高效、可靠的电池，跨越10年至20年的生命周期，为几千个家庭供电。

创新

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员开发的一项电池隔膜技术，将为妥善解决这个问题提供一种方案。

正如在《Joule》期刊所报道的，研究人员们利用一种称为“AquaPIMs”的聚合物，开发出一款多功能且便宜的电池隔膜。这种聚合物可制造持久耐用、成本低廉的栅极电池。这种电池有可能单单基于可轻易获取的材料，例如锌、铁与水。团队也开发出一个简单的模型，从而展示不同的电池膜是如何影响电池生命周期的。这个模型有望加速流体电池技术的早期研发，特别是为不同电池化学物质寻找合适的薄膜。

技术

联合储能研究中心（JCESR）首席研究员、伯克利实验室分子铸造厂的科学家、这项研究的领导者 Brett Helms 表示：“我们的 AquaPIM 隔膜技术采用了可扩展、低成本的水基化学物质，有利于加速流体电池的市场开发。采用我们的技术，配合电池性能与生命周期的经验模型，其他研究人员可评估电池中每个组件的情况，从隔膜到储能材料。这将为研究人员以及产品开发者节省时间与资源。”

大多数栅极电池的化学物质具有高度碱性的电极，一侧是带正电的正极，另一侧是带负电的阴极。但是，目前最先进的隔膜是为酸性化学物质而设计的，例如燃料电池中的氟化膜，但不适用于碱性流体电池。（在化学中，pH值是溶液中氢离子浓度的一种度量。纯水的pH值为7，呈中性。从另一方面说，碱性溶液的氢离子浓度较低，因此具有较高的pH值，或者说pH值高于7。在碱性电池中，pH值可以高达14或者15。）

氟化聚合物薄膜也是非常昂贵的。据 Helms 称，它们占据了电池成本的 15%到20%，可以在300美元/千瓦时的范围内运行。

Helms 研究组的研究生研究员、论文第一作者 Miranda Baran 表示，降低流体电池成本的一项方案就是消除整个氟化聚合物膜，采用一种高性能的便宜替代品，例如 AquaPIMs。Baran 也是加州大学伯克利分校化学系的博士生。

伯克利实验室分子铸造厂的研究生 Miranda Baran 在准备 AquaPIM 样本。（图片来源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab）

Helms 以及论文合著者们开发了 AquaPIM 技术（它代表“天生具有微孔的水溶性聚合物”），同时与JCESR首席研究员、麻省理工学院材料科学与工程系教授 Yet-Ming Chiang 一起合作为碱性水溶液开发聚合物膜。

研究人员通过这些早期实验学习到，通过一种称为“酰胺肟”的特殊化学物质修改隔膜，可以使得离子在正负极之间迅速移动。

之后，研究人员们通过不同栅极电池化学物质评估 AquaPIM 膜的性能与兼容性。例如，一个实验采用锌作为负极，铁基化合物作为正极。与此同时，研究人员们还发现 AquaPIM 隔膜带来极其稳定的碱性电池。

此外，他们还发现 AquaPIM 原型产品保留了正极和负极中的电荷存储材料的完整性。当研究人员们在伯克利实验室的先进光源（ALS）描述薄膜特征时，他们发现这些特征对于 AquaPIM 的不同变种来说是通用的。

然后，Baran 及其合作者们测试了 AquaPIM 膜如何与碱性电解质一起工作。他们在这个实验中发现，在碱性条件下，聚合物绑定的酰胺肟是稳定的，令人惊讶的是，这种有机材料在高pH值条件下特别稳定。

Helms 解释道，这种稳定性防止了 AquaPIM 膜的孔坍塌，使之可随着时间推移保持导电性，且不丧失任何性能，而商用的含氟聚合物膜会像料想的那样坍塌，从而有损其离子传输特性。


（左）：AquaPIM 由特种的聚合物制成，它能在高pH值的情况下变得离子化，生成可高度导电并具有高度选择性的孔。（右）这种材料可以被塑造成各种形状，例如一种独立式的膜。（图片来源：Brett Helms/Berkeley Lab）

与伯克利实验室分子铸造厂执行主任、JCESR 首席研究员、博士后 David Prendergast 一起工作的博士后研究员 Artem Baskin 的理论研究也进一步证实了这种行为。

Baskin 利用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的计算资源模拟了AquaPIM 膜，并发现组成膜的聚合物结构在碱性电解质中的高碱性条件下，抗塌孔能力很强。

在通过各种栅极电池化学物质评估 AquaPIM 膜的性能与兼容性的同时，研究人员们开发了一个模型，将电池的性能与各种膜的性能联系起来。这种模型能够预料流体电池的生命周期和效率，并且无需构造整个设备。他们也演示了相似的模型可以应用于其他的电池化学物质以及它们的膜。

Helms 表示：“一般来说，你必须等待数周或者数月，来搞清楚电池在组装成整个单元后可以维持工作多久。通过采用简单且快速的薄膜筛选，你可以将这个时间缩减至几小时或者几天。”

未来

研究人员的下一个计划是将 AquaPIM 膜应用于更广泛的水流体化学物质，从金属和无机物到有机物和聚合物。他们也强调，这些膜与其他的碱性锌电池兼容，包括那些采用氧、氧化锰或者金属有机框架作为正极的电池。