Flow 式電池架構(gòu)已經(jīng)顯示出在低成本、長(zhǎng)壽命的公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力?，F(xiàn)在，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 （PNNL） 的研究人員正在通過(guò)快速原型系統(tǒng)加速其商業(yè)化，該系統(tǒng)使他們能夠使用緊湊、低成本的“迷你流動(dòng)電池”快速評(píng)估有前途的流動(dòng)式電池新材料、工藝和技術(shù)（圖 1）。

太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室圖1. PNNL 的電池研究員 Ruozhu Feng 拿著一個(gè)微型流通池的原型。

據(jù) PNNL 稱，他們重新設(shè)計(jì)的微型流通池與傳統(tǒng)流通池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常相似，縮小了 5 倍。但是，盡管尺寸較小，但微型流通池的性能與大型流通池相當(dāng)。因此，新的電池測(cè)試系統(tǒng)需要的起始材料減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)提供的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測(cè)試系統(tǒng)相同。

新的微型流通池設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的詳細(xì)信息在發(fā)表在《電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上的一篇文章中進(jìn)行了描述。

小液流電池帶來(lái)大結(jié)果

“這份報(bào)告是第一步，表明縮小我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)模是有效的，”該研究的主要作者、材料科學(xué)家和液流電池研究員 Ruozhu Feng 說(shuō)。“我們的最終目標(biāo)是將 AI 和機(jī)器人技術(shù)的強(qiáng)大功能引入這一過(guò)程，以自動(dòng)化和加速新液流電池設(shè)計(jì)的測(cè)試?！?/p>

通過(guò)減少所需的材料量并加快驗(yàn)證過(guò)程，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助推進(jìn)可再生能源解決方案。研究人員還認(rèn)為，這種小型化方法將有助于使用更廣泛的實(shí)驗(yàn)化學(xué)成分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖 2）。

馮若珠 |太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一種新的微型液流電池（右）旨在加快有前途的新型液流電池技術(shù)的測(cè)試。

“目前，當(dāng)我們確定有前途的新電池配方時(shí)，我們必須準(zhǔn)備大量材料，這需要很多時(shí)間，”Feng 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)這種微型流通池工藝，我們可以弄清楚擬議的新材料是否只在少量（毫克）可用的情況下有效?！?/p>

微型流通池設(shè)計(jì)面向?qū)Ｗ⒂诳焖俸Y選和開(kāi)發(fā)新電池材料的研究實(shí)驗(yàn)室。在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)表明，新型微型流通池適用于快速驗(yàn)證材料穩(wěn)定性。對(duì)各種材料化學(xué)成分和濃度的嚴(yán)格測(cè)試有助于增強(qiáng)研究人員對(duì)新型按比例縮小的系統(tǒng)充滿信心。

液流電池 101

顧名思義，液流電池由兩個(gè)腔室組成，每個(gè)腔室都充滿不同的液體。電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)充電，并以化學(xué)鍵形式儲(chǔ)存能量（圖 3，頂部）。當(dāng)連接到外部電路時(shí)，它們會(huì)釋放能量，從而為電氣設(shè)備供電。

薩拉·萊文 |太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

圖3. 在這個(gè)商業(yè)規(guī)模液流電池的例子中，水系鐵 （Fe） 氧化還原液流電池以電子 （e-） 的形式捕獲能量，并通過(guò)改變流動(dòng)液體電解質(zhì)中的鐵電荷（上圖）來(lái)儲(chǔ)存能量。當(dāng)需要儲(chǔ)存的能量時(shí)，鐵可以釋放電荷，向電網(wǎng)（底部）提供能量（電子）。

液流電池是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它們存儲(chǔ)來(lái)自風(fēng)能和水力發(fā)電等間歇性能源的能量，然后根據(jù)需要釋放這些能量用于電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用（圖 3，底部）。與傳統(tǒng)電池不同，液流電池使用儲(chǔ)存在外部油箱中的液體電解質(zhì)，可靈活擴(kuò)展能量容量。

加速液流電池的發(fā)展

傳統(tǒng)上，液流電池新材料的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)費(fèi)力的試錯(cuò)過(guò)程，通常需要克級(jí)有機(jī)化合物合成、廣泛的測(cè)試和大量時(shí)間投入。這種新的小型化單元設(shè)計(jì)，大約有撲克牌那么大，使用相當(dāng)于幾粒沙子，大大減少了每次測(cè)試所需的時(shí)間和資源，同時(shí)仍然提供可靠的結(jié)果（圖 4）。

科特蘭·約翰遜 |太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室圖4. 商用、電網(wǎng)規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)性微型流通池尺寸的 1,000 倍到 2,000 倍。

除了 Feng、Liyu 和 Kim 之外，研究團(tuán)隊(duì)還包括 PNNL 科學(xué)家 Chao Zeng、Carter C. Bracken、Yanang Liang 和首席研究員 Wei Wang。這項(xiàng)研究得到了儲(chǔ)能研究聯(lián)盟 （ESRA） 的支持，該聯(lián)盟是由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室基礎(chǔ)能源科學(xué)計(jì)劃資助的能源創(chuàng)新中心，以及 PNNL 實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的戰(zhàn)略研究投資儲(chǔ)能材料計(jì)劃。

ESRA 聯(lián)合了來(lái)自國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的領(lǐng)先專家，為能源存儲(chǔ)和下一代電池發(fā)現(xiàn)鋪平了道路，這將塑造電力的未來(lái)。

使美國(guó)新興能源行業(yè)受益的團(tuán)隊(duì)努力

微型流通池的首席研究員兼設(shè)計(jì)師 Soowhan Kim 表示，他們成功的關(guān)鍵在于該團(tuán)隊(duì)在流通電池設(shè)計(jì)方面擁有十多年的經(jīng)驗(yàn)，以及工程、熟練的加工和化學(xué)經(jīng)驗(yàn)。例如，PNNL 儀器和系統(tǒng)控制專家 Andrey Liyu 利用他的機(jī)械工程和微流體經(jīng)驗(yàn)，在不犧牲精度的情況下完成了規(guī)?？s小。

“從小電池到大堆棧，我們可以處理各種規(guī)模的液流電池設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，”PNNL 的 Grid Storage Launchpad 的首席研究員 Kim 說(shuō)?！爱?dāng)我們加上計(jì)算專業(yè)知識(shí)和分析化學(xué)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，這就是我們共同努力開(kāi)發(fā)微型流通池的方式。我們希望向所有有興趣使用它的研究人員提供此功能。