新型液体电池能量密度提高三倍

这项研究发表在《道尔顿会刊》（Dalton Transactions）上，可带来一些设备，有助于经济可靠地集成大规模间歇性可再生能源，如太阳能和风能，使并入全国电网。

电网的设计是用于稳定的能源，这样，因为波动电力源自间歇性可再生能源，所以就很难适应。更好的能量存储技术可平衡这些流动的波动能源，而桑迪亚国家实验室的研究人员正在研究新的方法，开发更灵活、更具成本效益也更可靠的电网，以提高能源储存。

“美国和全世界都需要极大地突破电池技术，用可再生能源取代今天的碳基能源系统，”安东尼•梅迪纳（Anthony Medina）说，他是桑迪亚国家实验室高能成分实现项目主任。“迈提尔溶液是一种新的、有前途的化学电池，可能带来下一代的电站蓄电池技术，取代铅酸电池和锂离子电池，带来极大的能量存储密度，进行这些应用。”

过去20年来，锂离子电池一直是前沿性的储能研究。它们结构紧凑，轻巧的设计非常适合用于手机，笔记本电脑和个人电子产品，但锂离子电池价格昂贵，而且退化问题妨碍它们进入电站高容量应用，就是用于全国电网。

桑迪亚国家实验室研究员和无机化学家特拉维斯•安德森（Travis Anderson）带领一个小组，开发出下一代液流电池。这种液流电池泵抽一种溶液，就是自由浮动的带电荷的金属离子，这种离子溶解在电解液中，溶液中自由浮动的离子可以导电，溶液从外部容器穿过电化学电池，把化学能转换成电能。液流电池可快速充放电，只需改变电解液的充电状态，这种电活性物质很容易重复使用多次。安德森说，液流电池可以维持超过14000次循环，这是在实验室，相当于20多年的能量储存，在锂离子电池中，这是不寻常的。

然而，液流电池电网存储系统，大致上尺寸相当于一所房子，成本超过同样的锂离子电池。研究人员的目标，是使液流电池体积更小，更便宜，同时增加给定的体积能量存储，或能量密度。

液流电池已经实地应用于美国、日本和澳大利亚。大量的系统，高达25兆瓦都处在演示阶段，根据《美国恢复和再投资法案》（ARRA：American Recovery and Reinvestment Act），管理者是能源部能源存储系统研究项目。锌溴和钒氧化还原系统（Zinc bromine and vanadium redox systems）是最大的竞争者。但所用的材料具有中等毒性，钒具有很大的价格波动。此外，水溶液限制了可以溶解的物质数量，以及可以储存多少能量，而且，室外温度会降低性能。

桑迪亚国家实验室开创性地研究液流电池，可避免这些问题，因为不使用水。安德森组建了一个多学科小组，专家来自一些实验室，包括电化学大卫•英格索兰（David Ingersoll），有机化学家乍得•斯泰格（Chad Staige），化学技师哈里•普拉特（Harry Pratt）和乔纳森•伦纳德（Jonathan Leonard）。他们所设计的，是一种新型电化学可逆的、金属基离子液体，或叫迈提尔溶液（MetILs），采用的都是廉价无毒的材料，在美国很容易买到，如铁，铜，锰。

“不是把盐溶解到溶剂中，我们的盐就是一种溶剂，”安德森说。“我们可得到非常高浓度的活性金属，因为我们不受饱和的限制。它实际上就在公式中。因此，我们可以经济有效地增加三倍的能量密度，这可大大降低电池所需的尺寸，只是因为材料的性质。”

电化学效率，或反向充电性能，在迈提尔溶液中要高得多，远远超过迄今公布的其他任何东西。研究小组已经制备了近200种组合的阳离子、阴离子和配体以及这类物质，其中有五种超过二茂铁（ferrocene）的电化学效率，这效率长期以来一直被认为是黄金标准。

一个共同问题是，混合带正电荷和带负电荷的成分，这些成分就会开始聚集在一起，最终使溶液变为粘性，堵塞电池膜和电极表面。研究小组解决了这一挑战，他们开发出不对称的阳离子，或者带正电的离子，这种离子就像一个足球。在这个比喻中，黑色的五边形代表带负电荷的区域，白色的六边形代表正电荷的区域。这种排列降低了熔点，因为可防止离子液体成分键合，形成固体，同时，部分电荷仍使电子可以自由流动，穿过电池，产生电流。

研究小组资金来自美国能源部电力传输和能源可靠性办公室（Office of Electricity Delivery and Energy Reliability）。伊姆雷•古柯（Imre Gyuk）是这一办公室的能源储存系统项目经理，一直支持桑迪亚国家实验室的这项工作，而且提供了必要的资金。

“迈提尔溶液方法代表了一种巧妙的现成的溶液，是一种阴极/电解质聚合体。古柯说，“因为是采用现成的，价格低廉的前体，因此，它很可能带来创新的、成本划算的存储系统，会极大地影响整个美国电网。”

这一研究结果适用于新的液流电池正极材料。桑迪亚国家实验室的小组下一步是找到类似材料，用于液流电池阳极，研究人员对他们的进步感到鼓舞。

“安德森说，”有三个因素，你需要同时考虑，而且，它们并不总是相关：这就是粘度，电导率和基本电化学效率。“让人兴奋的，是让三个因素同时都合适，这就像是寻找宝藏，但没有地图。我们正在创造这幅地图，我们非常兴奋，有这种可能性。“

本文为麻省理工《科技创业》原创文章，未经书面许可，严禁转载使用。