新型膜推進(jìn)了低成本 電網(wǎng)規(guī)模的能量存儲(chǔ)

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種關(guān)鍵部件，用于采用常見(jiàn)材料的新型低成本固定電池系統(tǒng)，專(zhuān)為電網(wǎng)規(guī)模的電力存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)。

大型，經(jīng)濟(jì)的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)可以通過(guò)多種方式使國(guó)家電網(wǎng)受益：在高峰和非高峰需求時(shí)間之間平衡負(fù)載; 停電期間供電; 從風(fēng)能和太陽(yáng)能等波動(dòng)源存儲(chǔ)電力; 并適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)的極快速充電。

雖然使用鋰離子電池的固定式系統(tǒng)正在增加，但電網(wǎng)主要依靠水力發(fā)電設(shè)施進(jìn)行儲(chǔ)能。然而，鋰價(jià)格昂貴，主要來(lái)自美國(guó)以外的國(guó)家。

一些公用事業(yè)公司一直在測(cè)試氧化還原液流電池(RFB)系統(tǒng)，它是傳統(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)樗鼈兡陀茫瑝勖L(zhǎng)，易于擴(kuò)展，并且響應(yīng)時(shí)間快。然而，目前正在測(cè)試的大多數(shù)RFB依賴(lài)于水基(水)系統(tǒng)，這減少了可以存儲(chǔ)的電量 - 也稱(chēng)為能量密度。

非水流動(dòng)電池使用普通的低成本材料代替水，并且可以以較小的體積存儲(chǔ)更大的功率，這是電池科學(xué)家的首要任務(wù)。其中一個(gè)絆腳石是開(kāi)發(fā)一種合適的膜來(lái)分離電池中的正電解質(zhì)和負(fù)電解質(zhì)，同時(shí)允許離子的轉(zhuǎn)移。

ORNL科學(xué)家現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種用于鈉基非水性RFB的膜，其能夠使水基RFB中常見(jiàn)的能量密度增加一倍或三倍。這項(xiàng)工作由能源部電力辦公室及其儲(chǔ)能計(jì)劃資助，并由ORNL的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)資金資助。

該膜由普通的低成本聚合物聚環(huán)氧乙烷(PEO)制成。通過(guò)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。為了抵消這種影響，科學(xué)家將PEO與羧甲基纖維素混合 - 羧甲基纖維素是另一種常用的安全材料，通常用作食品工業(yè)中的增稠劑。所有三種物質(zhì)的組合產(chǎn)生非常耐用的膜，預(yù)期其在高能電池中良好地起作用。

“非水氧化還原系統(tǒng)在高電壓下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度。但關(guān)鍵是要獲得高能量密度而不會(huì)造成任何成本損失，”該項(xiàng)目在ORNL材料科學(xué)與技術(shù)部門(mén)的首席研究員Jagjit Nanda說(shuō)。

能源和運(yùn)輸科學(xué)部門(mén)的合作者Rose Ruther說(shuō)：“這真的是關(guān)于系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)，并了解它們?nèi)绾温?lián)系在一起，以及為什么我們的膜電導(dǎo)率得到了很大的提升。”

該研究在最近發(fā)表在ACS Energy Letters上的期刊論文“用于非水氧化還原液流電池的低成本，機(jī)械強(qiáng)度高，鈉離子導(dǎo)電膜”中有詳細(xì)介紹。

“ 為電網(wǎng)找到能量存儲(chǔ)解決方案是一個(gè)巨大的推動(dòng)力。大型儲(chǔ)能系統(tǒng)可能是一個(gè)非常昂貴的主張，”Ruther說(shuō)。“成本隨尺寸而變化，因此，如果我們能夠增加能量密度，那么可以節(jié)省大量成本。”

Nanda表示，“圣杯系統(tǒng)不會(huì)使用稀缺，昂貴的資源，并且以比現(xiàn)有電池技術(shù)更低的成本具有更高的商業(yè)化潛力”。“系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)是隔膜，我們已經(jīng)通過(guò)這種新的低成本原型在解決這個(gè)問(wèn)題方面取得了進(jìn)展。”

該項(xiàng)目的下一步是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)膜，使其更具選擇性，以防止抗衡離子的交叉，并提高其機(jī)械靈活性和堅(jiān)固性。