伯克利实验室的科学家们用一种叫做 AquaPIM 的新型聚合物开发了一种价格适中的用于电网的液流电池膜。图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室
伯克利实验室为可再生能源开发的负担得起的、可持续的“流动电池”的新蓝图可以加速由太阳能和风能供电的电网。
您如何储存可再生能源，以便在您需要时随时可用，即使在没有阳光或无风的情况下？为电网设计的巨型电池——称为液流电池，将电能储存在液体电解质罐中——可能是答案，但到目前为止，公用事业公司尚未找到一种能够在整个生命周期内可靠地为数千个家庭供电的具有成本效益的电池。 10 到 20 年。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员开发的一项电池隔膜技术可能指向一个解决方案。
据Joule杂志报道，研究人员开发了一种多功能且价格合理的电池隔膜——来自一类称为 AquaPIM 的聚合物。这类聚合物仅基于锌、铁和水等现成材料，就可以制造出持久耐用且成本低廉的网格电池。该团队还开发了一个简单模型，展示了不同的电池隔膜如何影响电池的寿命，这有望加速液流电池技术的早期研发，特别是在寻找适合不同电池化学成分的隔膜方面。
储能研究联合中心 (JCESR) 首席研究员 Brett Helms 表示：“我们的 AquaPIM 膜技术处于有利地位，可以加快使用可扩展、低成本、水基化学物质的液流电池的上市之路。”和领导这项研究的伯克利实验室分子铸造厂的科学家。“通过使用我们的技术和随附的电池性能和寿命经验模型，其他研究人员将能够快速评估电池中从隔膜到电荷储存材料的每个组件的准备情况。这应该可以为研究人员和产品开发人员等节省时间和资源。”
带有离子选择性 AquaPIM 膜的液流电池示意图（以米色标注）。伯克利实验室的科学家发现，这样的模型可以预测用于电网的液流电池的寿命和效率，而无需构建整个设备。图片来源：Brett Helms/伯克利实验室
大多数栅格电池化学物质具有高碱性（或碱性）电极——一侧带正电的阴极，另一侧带负电的阳极。但目前最先进的膜是为酸性化学物质设计的，例如燃料电池中的氟化膜，而不是为碱性液流电池设计的。（在化学中，pH 值是溶液中氢离子浓度的量度。纯水的 pH 值为 7，被认为是中性的。酸性溶液具有高浓度的氢离子，被描述为具有低 pH 值，或pH 值低于 7。另一方面，碱性溶液的氢离子浓度低，因此具有高 pH 值，或 pH 值高于 7。在碱性电池中，pH 值可高达 14 或 15。）
氟化聚合物膜也很昂贵。根据 Helms 的说法，它们可以占电池成本的 15% 到 20%，电池成本在 300 美元/千瓦时左右。
Helms 研究小组的研究生研究员、该研究的负责人 Miranda Baran 说，降低液流电池成本的一种方法是完全消除氟化聚合物膜，并提出一种高性能但更便宜的替代品，例如 AquaPIMs作者。巴兰也是一名博士。加州大学伯克利分校化学系学生。
回归基础
赫尔姆斯和合著者发现了 AquaPIM 技术——它代表“具有固有微孔性的水相容性聚合物”——同时开发用于碱性（或碱性）水溶液系统的聚合物膜，作为与合著者蒋业明（Yet-Ming Chiang）合作的一部分， JCESR 首席研究员和麻省理工学院 ( MIT ) 材料科学与工程京瓷教授。
通过这些早期实验，研究人员了解到，用一种叫做“偕胺肟”的奇特化学物质修饰的膜可以让离子在阳极和阴极之间快速移动。
AquaPIM 液流电池隔膜。图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室
后来，在评估 AquaPIM 膜的性能以及与不同网格电池化学物质的相容性时——例如，一个实验装置使用锌作为阳极，使用铁基化合物作为阴极——研究人员发现 AquaPIM 膜可以产生非常稳定的碱性电池。
此外，他们发现 AquaPIM 原型保留了阴极和阳极中电荷储存材料的完整性。当研究人员在伯克利实验室的高级光源 (ALS) 对膜进行表征时，研究人员发现这些特性在 AquaPIM 变体中是普遍的。
Baran 和她的合作者随后测试了 AquaPIM 膜在碱性电解质水溶液中的表现。在这个实验中，他们发现在碱性条件下，聚合物结合的偕胺肟是稳定的——考虑到有机材料在高 pH 值下通常不稳定，这是一个令人惊讶的结果。
Helms 解释说，这种稳定性可防止 AquaPIM 膜孔塌陷，从而使它们能够保持导电性，而不会随着时间的推移而降低性能，而商用含氟聚合物膜的孔隙会像预期的那样塌陷，从而损害其离子传输性能。
与 David Prendergast 合作的博士后研究员 Artem Baskin 的理论研究进一步证实了这种行为，David Prendergast 是伯克利实验室分子铸造厂的代理主任，也是 JCESR 的首席研究员，与 Chiang 和 Helms 一起。
Baskin 使用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的计算资源模拟了 AquaPIM 膜的结构，发现构成该膜的聚合物的结构在碱性电解质的高碱性条件下具有显着的孔隙坍塌抵抗力。
更好电池的屏幕测试
在评估 AquaPIM 膜的性能以及与不同网格电池化学物质的相容性时，研究人员开发了一种模型，将电池的性能与各种膜的性能联系起来。该模型可以预测液流电池的寿命和效率，而无需构建整个设备。他们还表明，类似的模型可以应用于其他电池化学物质及其隔膜。
“通常情况下，您需要等待数周甚至数月才能确定电池在组装整个电池后还能使用多长时间。通过使用简单快速的膜筛，您可以将其缩短到几个小时或几天，”赫尔姆斯说。
研究人员下一步计划将 AquaPIM 膜应用于更广泛的水液流电池化学，从金属和无机物到有机物和聚合物。他们还预计这些膜与其他含水碱性锌电池兼容，包括使用氧气、氧化锰或金属有机框架作为阴极的电池。
来自伯克利实验室、加州大学伯克利分校、麻省理工学院和 Istituto Italiano di Tecnologia 的研究人员参与了这项研究。