麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究人員近日開發(fā)出一種新型無膜氫溴電池，其性能與傳統(tǒng)的有膜電池相當(dāng)，卻大大降低了成本，在低成本高容量電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)上取得了新的進(jìn)展，有望深刻改變當(dāng)今的能源格局。
當(dāng)今儲(chǔ)能技術(shù)成本太高
在當(dāng)今的能源市場(chǎng)上，電能來源十分豐富，既有傳統(tǒng)的煤電、油電、水電，也有正在大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽能等間歇性能源。用戶的需求也不是衡定不變的，存在著用電的波峰波谷。因此一個(gè)不容忽視的重要技術(shù)環(huán)節(jié)就是儲(chǔ)能技術(shù)。所謂的儲(chǔ)電能力意味著當(dāng)電力供應(yīng)充足時(shí)，可將其儲(chǔ)存起來，需要電時(shí)，則可以提供。儲(chǔ)能能力強(qiáng)不僅可以確保骨干電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)高效穩(wěn)定地提供電力供應(yīng)，也是大規(guī)模使用太陽能和風(fēng)能等間歇性能源的有力保障，尤其是發(fā)展中國(guó)家及移動(dòng)業(yè)都對(duì)便攜式儲(chǔ)能裝置有著強(qiáng)烈的需求。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，如電池和燃料電池等，在儲(chǔ)能技術(shù)上的應(yīng)用前景十分廣闊。它們可以快速高效地充放電。特別是在利用太陽能或風(fēng)能時(shí)，可以在太陽照耀時(shí)儲(chǔ)存電能，或風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)儲(chǔ)能，然后在多云或風(fēng)淡的時(shí)候，在幾分鐘內(nèi)把電供應(yīng)出來。此外它們還十分靈活便捷，哪里需要，就可以把他們放置在哪里。
不過電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的最大問題是成本問題，即便是最好的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置要想擁有較大的容量，其成本也會(huì)令人難以接受。舉例來說，一卡車大小的鋰電池可以提供大量的能量，但是成本實(shí)在太高了。因此發(fā)展可再生能源與其說是技術(shù)問題，倒不如說是缺少具有成本效益的儲(chǔ)能技術(shù)手段。
隔離膜：氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大難題
在研究和探索大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的過程中，人們開始把注意力集中在氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)。這兩種反應(yīng)物有一些獨(dú)特的品性，引人關(guān)注。和鋰相比，溴價(jià)格便宜，容易獲得，且儲(chǔ)量豐富。其原子序數(shù)為35，是一種鹵素，最外層上有7個(gè)電子，容易形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以是活潑的非金屬單質(zhì)，而氫恰恰可以提供一個(gè)電子。因此在氫和溴之間可極其迅速地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其速度比氫氧反應(yīng)要快，其電流也較大，而目前的高容量電化學(xué)儲(chǔ)能裝置大多依靠氫氧化學(xué)反應(yīng)。
但當(dāng)氫和溴發(fā)生自發(fā)反應(yīng)時(shí),由于反應(yīng)過于迅速，其能量大多會(huì)以熱能的形式白白浪費(fèi)掉。為了解決這一難題，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們通常利用價(jià)格不菲的隔離膜將其分開。有膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)又存在另外一個(gè)問題，就是隨著時(shí)間的推移，當(dāng)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生氫溴酸后，會(huì)損壞隔離膜。因此，30年來氫溴液流電池的研究進(jìn)展十分緩慢。
其實(shí)答案十分明顯，如果要想有效地開發(fā)利用氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，最重要的是要想辦法擺脫掉隔離膜。有這樣想法的人很多，不僅是現(xiàn)在的科學(xué)家想到了，過去也有人想到過這樣的方法。在過去的10年中，有許多科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了無膜氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要利用流體力學(xué)的層流技術(shù)，使反應(yīng)物發(fā)生分離。在正確的條件下，兩種液體流并行流動(dòng)，兩者之間很少或幾乎不發(fā)生混合。不過這樣的無膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電功率從來沒有超過有膜系統(tǒng)，因此無膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般作為一種學(xué)術(shù)興趣來開展研究，在商業(yè)上不存在可行性。
無膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的大膽創(chuàng)新
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究人員產(chǎn)生了一個(gè)大膽又新穎的想法，就是能否綜合無膜儲(chǔ)能系統(tǒng)和氫溴化學(xué)性質(zhì)的各自優(yōu)勢(shì)，把兩個(gè)有局限的系統(tǒng)放在一起，獲得比任何一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)要好的結(jié)果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發(fā)展的弊端，同時(shí)還可以取代傳統(tǒng)的無膜氧基電池表現(xiàn)不佳的缺點(diǎn)。
氫溴反應(yīng)有一個(gè)最大的特點(diǎn)就是其反應(yīng)的可逆性。通常無膜燃料電池進(jìn)去的反應(yīng)物和出來的產(chǎn)品是不同的，因此這些系統(tǒng)通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應(yīng)物。氫溴化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)品是電解質(zhì)。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達(dá)到充電的效果。這樣就可以形成一個(gè)“閉環(huán)”模式，使無膜充電電池成為可能。
麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的最新氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的頂部是一種含有少量鉑(pt)催化劑的多孔陽極，底部是固體石墨陰極。陽極和陰極之間流動(dòng)著電解液氫溴酸，含有帶負(fù)電荷的溴離子和帶正電的氫離子。
在放電模式下，氫溴酸電解質(zhì)從左側(cè)進(jìn)入主通道，在電極之間流動(dòng)，底部的多孔陽極金屬網(wǎng)阻止電解液滲透。氫氣從頂部進(jìn)入，同時(shí)，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過一個(gè)單獨(dú)的通道進(jìn)入。在陽極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負(fù)電荷的電子，然后通過不同的路徑移動(dòng)到陰極。氫離子通過電解液，而電子經(jīng)外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負(fù)電荷的離子。帶負(fù)電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子溴則在陽極生成。
依靠層流技術(shù)的關(guān)鍵是防止反應(yīng)物達(dá)到“錯(cuò)誤”的電極。這種現(xiàn)象稱為交叉，可對(duì)陽極催化劑造成損害。在新設(shè)計(jì)中，金屬網(wǎng)可使氫氣進(jìn)入電解液。
根據(jù)最新的數(shù)值模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴(kuò)散到電解液的流動(dòng)過程中，其濃度會(huì)降低。如果時(shí)間充分，溴最終會(huì)流動(dòng)到陽極，帶來不必要的交叉影響。不過研究人員在設(shè)計(jì)中注意到了這個(gè)問題，并采取了措施以確保溴分子反應(yīng)物不會(huì)達(dá)到陽極。
原型電池儲(chǔ)能的高效率及低成本令人欣喜
為了測(cè)試無膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)小的原型電池。它由兩個(gè)0.8毫米的電極，1.4厘米長(zhǎng)的流道及引導(dǎo)反應(yīng)物進(jìn)入設(shè)備的入口組成。研究人員根據(jù)不同的流量和不同的反應(yīng)物濃度對(duì)原型電池進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。即便在尚未優(yōu)化的條件下，該電池在室溫和室內(nèi)壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mw/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當(dāng)，比其他無膜電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備高兩到三倍。
原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環(huán)模式下，把回收的反應(yīng)產(chǎn)品充入設(shè)備中進(jìn)行充電。在反向操作中，對(duì)純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反應(yīng)物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達(dá)200mw/cm2的超過90%，是峰值功率的25%。這些結(jié)果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。
初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統(tǒng)的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒有陰極催化劑，陽極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統(tǒng)所需能源大小減少，這也進(jìn)一步降低了成本。研究人員目前還在繼續(xù)改善他們的系統(tǒng)，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應(yīng)發(fā)生得很快，即便沒有隔離膜的限制，氫離子穿過電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開發(fā)全新的電池結(jié)構(gòu)，確保電解液在閉環(huán)操作的捕獲和回收過程中，不含有溴分子。
當(dāng)今儲(chǔ)能技術(shù)成本太高
在當(dāng)今的能源市場(chǎng)上，電能來源十分豐富，既有傳統(tǒng)的煤電、油電、水電，也有正在大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽能等間歇性能源。用戶的需求也不是衡定不變的，存在著用電的波峰波谷。因此一個(gè)不容忽視的重要技術(shù)環(huán)節(jié)就是儲(chǔ)能技術(shù)。所謂的儲(chǔ)電能力意味著當(dāng)電力供應(yīng)充足時(shí)，可將其儲(chǔ)存起來，需要電時(shí)，則可以提供。儲(chǔ)能能力強(qiáng)不僅可以確保骨干電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)高效穩(wěn)定地提供電力供應(yīng)，也是大規(guī)模使用太陽能和風(fēng)能等間歇性能源的有力保障，尤其是發(fā)展中國(guó)家及移動(dòng)業(yè)都對(duì)便攜式儲(chǔ)能裝置有著強(qiáng)烈的需求。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，如電池和燃料電池等，在儲(chǔ)能技術(shù)上的應(yīng)用前景十分廣闊。它們可以快速高效地充放電。特別是在利用太陽能或風(fēng)能時(shí)，可以在太陽照耀時(shí)儲(chǔ)存電能，或風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)儲(chǔ)能，然后在多云或風(fēng)淡的時(shí)候，在幾分鐘內(nèi)把電供應(yīng)出來。此外它們還十分靈活便捷，哪里需要，就可以把他們放置在哪里。
不過電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的最大問題是成本問題，即便是最好的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置要想擁有較大的容量，其成本也會(huì)令人難以接受。舉例來說，一卡車大小的鋰電池可以提供大量的能量，但是成本實(shí)在太高了。因此發(fā)展可再生能源與其說是技術(shù)問題，倒不如說是缺少具有成本效益的儲(chǔ)能技術(shù)手段。
隔離膜：氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大難題
在研究和探索大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的過程中，人們開始把注意力集中在氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)。這兩種反應(yīng)物有一些獨(dú)特的品性，引人關(guān)注。和鋰相比，溴價(jià)格便宜，容易獲得，且儲(chǔ)量豐富。其原子序數(shù)為35，是一種鹵素，最外層上有7個(gè)電子，容易形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以是活潑的非金屬單質(zhì)，而氫恰恰可以提供一個(gè)電子。因此在氫和溴之間可極其迅速地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其速度比氫氧反應(yīng)要快，其電流也較大，而目前的高容量電化學(xué)儲(chǔ)能裝置大多依靠氫氧化學(xué)反應(yīng)。
但當(dāng)氫和溴發(fā)生自發(fā)反應(yīng)時(shí),由于反應(yīng)過于迅速，其能量大多會(huì)以熱能的形式白白浪費(fèi)掉。為了解決這一難題，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們通常利用價(jià)格不菲的隔離膜將其分開。有膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)又存在另外一個(gè)問題，就是隨著時(shí)間的推移，當(dāng)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生氫溴酸后，會(huì)損壞隔離膜。因此，30年來氫溴液流電池的研究進(jìn)展十分緩慢。
其實(shí)答案十分明顯，如果要想有效地開發(fā)利用氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，最重要的是要想辦法擺脫掉隔離膜。有這樣想法的人很多，不僅是現(xiàn)在的科學(xué)家想到了，過去也有人想到過這樣的方法。在過去的10年中，有許多科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了無膜氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要利用流體力學(xué)的層流技術(shù)，使反應(yīng)物發(fā)生分離。在正確的條件下，兩種液體流并行流動(dòng)，兩者之間很少或幾乎不發(fā)生混合。不過這樣的無膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電功率從來沒有超過有膜系統(tǒng)，因此無膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般作為一種學(xué)術(shù)興趣來開展研究，在商業(yè)上不存在可行性。
無膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的大膽創(chuàng)新
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究人員產(chǎn)生了一個(gè)大膽又新穎的想法，就是能否綜合無膜儲(chǔ)能系統(tǒng)和氫溴化學(xué)性質(zhì)的各自優(yōu)勢(shì)，把兩個(gè)有局限的系統(tǒng)放在一起，獲得比任何一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)要好的結(jié)果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發(fā)展的弊端，同時(shí)還可以取代傳統(tǒng)的無膜氧基電池表現(xiàn)不佳的缺點(diǎn)。
氫溴反應(yīng)有一個(gè)最大的特點(diǎn)就是其反應(yīng)的可逆性。通常無膜燃料電池進(jìn)去的反應(yīng)物和出來的產(chǎn)品是不同的，因此這些系統(tǒng)通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應(yīng)物。氫溴化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)品是電解質(zhì)。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達(dá)到充電的效果。這樣就可以形成一個(gè)“閉環(huán)”模式，使無膜充電電池成為可能。
麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的最新氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的頂部是一種含有少量鉑(pt)催化劑的多孔陽極，底部是固體石墨陰極。陽極和陰極之間流動(dòng)著電解液氫溴酸，含有帶負(fù)電荷的溴離子和帶正電的氫離子。
在放電模式下，氫溴酸電解質(zhì)從左側(cè)進(jìn)入主通道，在電極之間流動(dòng)，底部的多孔陽極金屬網(wǎng)阻止電解液滲透。氫氣從頂部進(jìn)入，同時(shí)，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過一個(gè)單獨(dú)的通道進(jìn)入。在陽極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負(fù)電荷的電子，然后通過不同的路徑移動(dòng)到陰極。氫離子通過電解液，而電子經(jīng)外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負(fù)電荷的離子。帶負(fù)電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子溴則在陽極生成。
依靠層流技術(shù)的關(guān)鍵是防止反應(yīng)物達(dá)到“錯(cuò)誤”的電極。這種現(xiàn)象稱為交叉，可對(duì)陽極催化劑造成損害。在新設(shè)計(jì)中，金屬網(wǎng)可使氫氣進(jìn)入電解液。
根據(jù)最新的數(shù)值模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴(kuò)散到電解液的流動(dòng)過程中，其濃度會(huì)降低。如果時(shí)間充分，溴最終會(huì)流動(dòng)到陽極，帶來不必要的交叉影響。不過研究人員在設(shè)計(jì)中注意到了這個(gè)問題，并采取了措施以確保溴分子反應(yīng)物不會(huì)達(dá)到陽極。
原型電池儲(chǔ)能的高效率及低成本令人欣喜
為了測(cè)試無膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)小的原型電池。它由兩個(gè)0.8毫米的電極，1.4厘米長(zhǎng)的流道及引導(dǎo)反應(yīng)物進(jìn)入設(shè)備的入口組成。研究人員根據(jù)不同的流量和不同的反應(yīng)物濃度對(duì)原型電池進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。即便在尚未優(yōu)化的條件下，該電池在室溫和室內(nèi)壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mw/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當(dāng)，比其他無膜電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備高兩到三倍。
原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環(huán)模式下，把回收的反應(yīng)產(chǎn)品充入設(shè)備中進(jìn)行充電。在反向操作中，對(duì)純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反應(yīng)物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達(dá)200mw/cm2的超過90%，是峰值功率的25%。這些結(jié)果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。
初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統(tǒng)的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒有陰極催化劑，陽極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統(tǒng)所需能源大小減少，這也進(jìn)一步降低了成本。研究人員目前還在繼續(xù)改善他們的系統(tǒng)，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應(yīng)發(fā)生得很快，即便沒有隔離膜的限制，氫離子穿過電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開發(fā)全新的電池結(jié)構(gòu)，確保電解液在閉環(huán)操作的捕獲和回收過程中，不含有溴分子。