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 Rose Ruther和Jagjit Nanda一直致力于研發(fā)用于低成本氧化還原液流電池的薄膜，以對電網(wǎng)規(guī)模的能量進(jìn)行存儲。

來自橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們已研發(fā)出一種新型低成本固定式電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。該系統(tǒng)可利用常規(guī)材料設(shè)計用于電網(wǎng)規(guī)模的電能存儲。

大型、經(jīng)濟(jì)型的電力存儲系統(tǒng)可通過多種方式使國家電網(wǎng)受益：在高峰和非高峰需求時間之間平衡負(fù)載；在停電期間供電；儲存來自風(fēng)能和太陽能等波動性能源的電力；另外，還可以適應(yīng)電動汽車的極快速充電。

盡管使用鋰離子電池的固定式系統(tǒng)正在增加，但電網(wǎng)主要依靠水電設(shè)施來儲存能量。另外鋰資源十分昂貴，且大多產(chǎn)自美國以外的國家。

一些公用事業(yè)公司一直在測試氧化還原液流電池（RFB）系統(tǒng)。這是傳統(tǒng)電池和燃料電池之間的交叉。RFB非常適合網(wǎng)格應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡陀谩勖L、易于擴(kuò)展，并且響應(yīng)時間快。 然而，目前正在測試的大多數(shù)RFB依賴于水基（水）系統(tǒng)，這減少了電池系統(tǒng)所能存儲的電量—也稱為能量密度。

一種非水液流電池使用普通的、低成本的材料來代替水，并能以更小的體積儲存更高的能量。這一直是電池科學(xué)家的首要任務(wù)。其中關(guān)鍵之一就是研發(fā)出一種合適的薄膜來分離電池中的正負(fù)電解質(zhì)，同時允許離子的轉(zhuǎn)移。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)為一種基于鈉的非水RFB系統(tǒng)開發(fā)出了一種薄膜。這種薄膜可將水基RFB系統(tǒng)的能量密度增加1倍或3倍。這項(xiàng)工作由美國能源部電力辦公室及其儲能計劃和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提供資金資助。

一種鈉離子導(dǎo)電膜，用于非水氧化還原液流電池。圖片來源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室/Carlos Jones

該薄膜由普通的低成本聚合物聚環(huán)氧乙烷（PEO）制成。通過添加增塑劑：四甘醇二甲醚，其導(dǎo)電性提高了100倍。然而，該共混物也降低了膜的機(jī)械強(qiáng)度。 為抵消這種影響，科學(xué)家們將PEO與羧甲基纖維素混合—羧甲基纖維素是另一種常見的安全材料，通常用于食品工業(yè)中的增稠劑。所有三種物質(zhì)的組合產(chǎn)生非常耐用的薄膜，預(yù)期其在高能電池中會有出色的表現(xiàn)。

來自橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與技術(shù)部門的首席研究員Jagjit Nanda說道，“非水氧化還原液流系統(tǒng)在高壓下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度。但關(guān)鍵是：我們不僅要獲得高能量密度電池，而且還不能造成任何成本損失。”

能源和運(yùn)輸科學(xué)部的合作者之一Rose Ruther說道：“這真的是與該系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且我們還需要了解它們之間如何相互聯(lián)系相互影響。另外，我們也需要弄清楚為什么我們的薄膜電導(dǎo)率得到了很大的提高。”

該研究在最近發(fā)表于雜志《ACS Energy Letters》的期刊論文“用于非水氧化還原液流電池的低成本、高機(jī)械強(qiáng)度、鈉離子傳導(dǎo)薄膜”中有詳細(xì)介紹。

“為電網(wǎng)找到能量存儲解決方案是一個巨大的推動力。大型儲能系統(tǒng)可能是一個非常昂貴的提議，”Ruther說道。“成本隨尺寸而發(fā)生變化。因此，如果我們能夠增加電池存儲能量密度，那么可以顯著降低成本。”

Nanda表示，“圣杯系統(tǒng)不會使用稀缺且昂貴的資源，并且憑借比現(xiàn)有電池技術(shù)更低的成本，其商業(yè)化潛力更高。目前系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)是薄膜，但是我們已通過這種新型低成本原型在解決這個問題方面取得了一定的進(jìn)展。”

該項(xiàng)目的下一步是進(jìn)一步研發(fā)薄膜，使其更有選擇性地防止反離子之間的交換，并提高其機(jī)械柔性和耐用性。