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编译服务: 可再生能源专项服务 编译者: pengh 编译时间: 2017-10-13 点击量: 1

风能和太阳能是越来越受欢迎的可再生能源。但间歇性问题使它们无法与美国电网广泛连接:它们需要的能量储存系统,在最便宜的情况下,每千瓦小时运行大约100美元,而且只在某些地方运行。

现在麻省理工学院的研究人员已经开发出一种“空气呼吸”电池,这种电池可以在很长时间内储存电能,其成本约为当前技术成本的五分之一,其位置限制和零排放。该电池可用于使零星的可再生能源成为电网更可靠的电力来源。

因为它的阳极,可充电流电池使用的是廉价的,大量的硫在水中溶解。在阴极中,一种空气中的液体盐溶液不断吸收和释放氧气,使电荷在电极间穿梭。流入阴极的氧气会使阳极向外电路放电。流出的氧气将电子送回到阳极,给电池充电。

麻省理工学院材料科学与工程教授,同时也是论文的合著者之一,蒋教授说:“这个电池确实吸入并呼出空气,但它不会像人一样呼出二氧化碳,它会呼出氧气。”这项研究今天发表在了焦耳杂志上。

电池的总化学成本,即阴极、阳极和电解质材料的总价格,大约是锂离子电池等竞争电池成本的1/30。可升级的系统可以用来储存风能或太阳能的电力,可以用几天到整个季节,每千瓦小时20到30美元。

论文的合著者是郑丽,他是麻省理工学院的博士后,现在是弗吉尼亚理工大学的教授;Fikile R.Brushett,雷蒙德a和海伦e圣洛朗的化学工程专业发展教授;研究科学家梁苏;研究生Menghsuan Pan和Kai翔;本科生Joseph M.Valle,Andres Badel和Stephanie L.Eiler。

找到合适的平衡

电池的开发始于2012年,当时蒋加入了能源部联合能源存储研究中心,这是一个为期五年的项目,共有180名研究人员参与了节能技术的合作。而蒋介石则专注于开发一种高效的电池,这种电池可以降低电网规模的能源储存成本。

蒋说,在过去的几十年里,电池的主要问题一直集中在合成材料上,这些材料提供了更大的能量密度,但价格非常昂贵。例如,在手机的锂离子电池中使用最广泛的材料,每一千瓦时的能量储存成本约为100美元。

蒋说:“这就意味着我们可能没有把重点放在正确的事情上,在追求高能源密度的过程中,化学成本不断增加。”他把这个问题带给了麻省理工的其他研究人员。“我们说,如果我们想在太瓦的规模上储存能量,我们就必须使用真正丰富的材料。”

研究人员首先确定了硫的阳极,这是一种广泛存在的天然气和石油精炼的副产品,它的能量密度非常高,在水和空气旁边的每一个存储电荷的成本最低。当时的挑战是找到一种廉价的液态阴极材料,在产生有意义的电荷的同时保持稳定。这似乎是不可能的——直到实验室发现了一个偶然的发现。

在候选名单上有一种叫做高锰酸钾的化合物。如果用作阴极材料,这种化合物就会被“还原”——一种将离子从阳极到阴极的反应,放电电流。然而,高锰酸盐的还原通常是不可能逆转的,这意味着电池将无法再充电。

不过,李。正如预期的那样,逆转失败了。然而,电池实际上是在充电,这是由于阴极的一个意外的氧反应,它完全是在空气中运行的。我说,“等等,你找到了一种可充电的化学方法,用的是不需要阴极化合物的硫?“那是一个啊哈时刻,”蒋说。

利用这一概念,研究小组创造了一种流电池,在这种电池中,电解质通过电极不断地被泵入,并通过一个反应细胞进行充电或放电。电池由一种含有锂或钠离子的多硫化物的液体阳极(聚硫)组成,还有一种液态的阴极(阴极),由一种含氧的溶解盐组成,由一层膜隔开。

在放电时,电解液将电子释放到一个外部电路中,锂或钠离子会到达阴极。与此同时,为了保持电子的正常,阴极吸收氧气,产生带负电的氢氧根离子。当充电时,这个过程是完全颠倒过来的。氧被从阴极中排出,增加了氢离子,它通过外部电路将电子返回给了电解液。

蒋说:“这是通过将氧气从系统中抽出来,来创造一个电荷平衡。”

由于电池使用的是超低成本材料,因此它的化学成本是所有可充电电池中最低的,即使不是最低的,也能保证长期有效的放电。它的能量密度略低于今天的锂离子电池。

卡内基梅隆大学的机械工程助理教授Venkat Viswanathan说:“这是一种创造性的、有趣的新概念,可能是一种极低成本的网格存储解决方案。”他是卡内基梅隆大学的一名助理教授,他研究能源存储系统。

锂-硫和锂-空气电池——在阴极中使用硫或氧——存在于今天。但Viswanathan说,麻省理工学院的研究的关键创新是将这两个概念结合起来,创造出一个成本更低的电池,具有同等的效率和能量密度。他补充道:“这款设计可以激发你在这个领域的新工作,它能立刻激发你的想象力。”

使可再生能源更可靠

这个原型目前大约有一个咖啡杯的大小。但蒋说,流动电池是高度可伸缩的,而且电池可以被组合成更大的系统。

由于电池可以在几个月的时间里放电,最好的用途可能是储存来自声名狼藉的风能和太阳能的电能。“太阳能的间歇性是每日的,但对于风能来说,它是更长期的间歇,而不是可以预测的。当它不那么容易预测的时候,你需要更多的储备——在较长一段时间内放电电池的能力——因为你不知道什么时候风会回来。”蒋说。他补充说,季节性储存也很重要,尤其是在赤道以北的距离越来越远的地方,那里的日照量在夏季和冬季之间变化得更广。

蒋说,这可能是第一个在成本和能源密度方面进行竞争的技术,用抽水的水力储存系统,为世界各地的可再生能源提供大部分的能源储存,但却受到地理位置的限制。

“像这样的流动电池的能量密度是抽水蓄能电站的500多倍。它也更紧凑,所以你可以想象把它放在任何可再生的地方。”蒋说。

这项研究得到了能源部的支持。

 

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