據(jù)美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該實(shí)驗(yàn)室研究人員利用一種稱為“AquaPIMs”的聚合物，開發(fā)出一款多功能且便宜的電池隔膜。這種聚合物可制造持久耐用、成本低廉的柵極電池。

本文來(lái)源：IntelligentThings 微信公眾號(hào) ID：IntelligentThings 作者：John Zhang

背景

我們?nèi)绾尾拍艽鎯?chǔ)可再生能源，在有需要的時(shí)候可以用得上，甚至是在沒(méi)有陽(yáng)光或者刮風(fēng)的時(shí)候？為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們?yōu)殡娋W(wǎng)設(shè)計(jì)了巨型電池，也稱為“液流電池”，它能將電能存儲(chǔ)在液體電解質(zhì)中。但是到目前為止，電力公司還未能找到一種經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的電池，跨越10年至20年的生命周期，為幾千個(gè)家庭供電。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的研究人員開發(fā)的一項(xiàng)電池隔膜技術(shù)，將為妥善解決這個(gè)問(wèn)題提供一種方案。

正如在《Joule》期刊所報(bào)道的，研究人員們利用一種稱為“AquaPIMs”的聚合物，開發(fā)出一款多功能且便宜的電池隔膜。這種聚合物可制造持久耐用、成本低廉的柵極電池。這種電池有可能單單基于可輕易獲取的材料，例如鋅、鐵與水。團(tuán)隊(duì)也開發(fā)出一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，從而展示不同的電池膜是如何影響電池生命周期的。這個(gè)模型有望加速流體電池技術(shù)的早期研發(fā)，特別是為不同電池化學(xué)物質(zhì)尋找合適的薄膜。

技術(shù)

聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JCESR）首席研究員、伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的科學(xué)家、這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者 Brett Helms 表示：“我們的 AquaPIM 隔膜技術(shù)采用了可擴(kuò)展、低成本的水基化學(xué)物質(zhì)，有利于加速流體電池的市場(chǎng)開發(fā)。采用我們的技術(shù)，配合電池性能與生命周期的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渌芯咳藛T可評(píng)估電池中每個(gè)組件的情況，從隔膜到儲(chǔ)能材料。這將為研究人員以及產(chǎn)品開發(fā)者節(jié)省時(shí)間與資源。”

大多數(shù)柵極電池的化學(xué)物質(zhì)具有高度堿性的電極，一側(cè)是帶正電的正極，另一側(cè)是帶負(fù)電的陰極。但是，目前最先進(jìn)的隔膜是為酸性化學(xué)物質(zhì)而設(shè)計(jì)的，例如燃料電池中的氟化膜，但不適用于堿性流體電池。（在化學(xué)中，pH值是溶液中氫離子濃度的一種度量。純水的pH值為7，呈中性。從另一方面說(shuō)，堿性溶液的氫離子濃度較低，因此具有較高的pH值，或者說(shuō)pH值高于7。在堿性電池中，pH值可以高達(dá)14或者15。）

氟化聚合物薄膜也是非常昂貴的。據(jù) Helms 稱，它們占據(jù)了電池成本的 15%到20%，可以在300美元/千瓦時(shí)的范圍內(nèi)運(yùn)行。

Helms 研究組的研究生研究員、論文第一作者 Miranda Baran 表示，降低流體電池成本的一項(xiàng)方案就是消除整個(gè)氟化聚合物膜，采用一種高性能的便宜替代品，例如 AquaPIMs。Baran 也是加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系的博士生。

伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的研究生 Miranda Baran 在準(zhǔn)備 AquaPIM 樣本。（圖片來(lái)源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab）

Helms 以及論文合著者們開發(fā)了 AquaPIM 技術(shù)（它代表“天生具有微孔的水溶性聚合物”），同時(shí)與JCESR首席研究員、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授 Yet-Ming Chiang 一起合作為堿性水溶液開發(fā)聚合物膜。

研究人員通過(guò)這些早期實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)到，通過(guò)一種稱為“酰胺肟”的特殊化學(xué)物質(zhì)修改隔膜，可以使得離子在正負(fù)極之間迅速移動(dòng)。

之后，研究人員們通過(guò)不同柵極電池化學(xué)物質(zhì)評(píng)估 AquaPIM 膜的性能與兼容性。例如，一個(gè)實(shí)驗(yàn)采用鋅作為負(fù)極，鐵基化合物作為正極。與此同時(shí)，研究人員們還發(fā)現(xiàn) AquaPIM 隔膜帶來(lái)極其穩(wěn)定的堿性電池。

此外，他們還發(fā)現(xiàn) AquaPIM 原型產(chǎn)品保留了正極和負(fù)極中的電荷存儲(chǔ)材料的完整性。當(dāng)研究人員們?cè)诓死麑?shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源（ALS）描述薄膜特征時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些特征對(duì)于 AquaPIM 的不同變種來(lái)說(shuō)是通用的。

然后，Baran 及其合作者們測(cè)試了 AquaPIM 膜如何與堿性電解質(zhì)一起工作。他們?cè)谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下，聚合物綁定的酰胺肟是穩(wěn)定的，令人驚訝的是，這種有機(jī)材料在高pH值條件下特別穩(wěn)定。

Helms 解釋道，這種穩(wěn)定性防止了 AquaPIM 膜的孔坍塌，使之可隨著時(shí)間推移保持導(dǎo)電性，且不喪失任何性能，而商用的含氟聚合物膜會(huì)像料想的那樣坍塌，從而有損其離子傳輸特性。

（左）：AquaPIM 由特種的聚合物制成，它能在高pH值的情況下變得離子化，生成可高度導(dǎo)電并具有高度選擇性的孔。（右）這種材料可以被塑造成各種形狀，例如一種獨(dú)立式的膜。（圖片來(lái)源：Brett Helms/Berkeley Lab）

與伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠執(zhí)行主任、JCESR 首席研究員、博士后 David Prendergast 一起工作的博士后研究員 Artem Baskin 的理論研究也進(jìn)一步證實(shí)了這種行為。

Baskin 利用伯克利實(shí)驗(yàn)室國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的計(jì)算資源模擬了AquaPIM 膜，并發(fā)現(xiàn)組成膜的聚合物結(jié)構(gòu)在堿性電解質(zhì)中的高堿性條件下，抗塌孔能力很強(qiáng)。

在通過(guò)各種柵極電池化學(xué)物質(zhì)評(píng)估 AquaPIM 膜的性能與兼容性的同時(shí)，研究人員們開發(fā)了一個(gè)模型，將電池的性能與各種膜的性能聯(lián)系起來(lái)。這種模型能夠預(yù)料流體電池的生命周期和效率，并且無(wú)需構(gòu)造整個(gè)設(shè)備。他們也演示了相似的模型可以應(yīng)用于其他的電池化學(xué)物質(zhì)以及它們的膜。

Helms 表示：“一般來(lái)說(shuō)，你必須等待數(shù)周或者數(shù)月，來(lái)搞清楚電池在組裝成整個(gè)單元后可以維持工作多久。通過(guò)采用簡(jiǎn)單且快速的薄膜篩選，你可以將這個(gè)時(shí)間縮減至幾小時(shí)或者幾天。”

未來(lái)

研究人員的下一個(gè)計(jì)劃是將 AquaPIM 膜應(yīng)用于更廣泛的水流體化學(xué)物質(zhì)，從金屬和無(wú)機(jī)物到有機(jī)物和聚合物。他們也強(qiáng)調(diào)，這些膜與其他的堿性鋅電池兼容，包括那些采用氧、氧化錳或者金屬有機(jī)框架作為正極的電池。

原標(biāo)題:新型電池隔膜技術(shù)：可用于制造經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的流體電池！