UT Austin:基于新能源材料与化学的先进液流电池设计
2019-06-12 10:34:16   来源:

人类社会的可持续发展依赖于对新能源的有效利用。相比于传统的化石能源,太阳能、潮汐能、风能等环境友好的可再生能源受到了越来越多的关注,然而其随机性、间歇性等特点又需要发展高效快捷的储能技术以满足人类的能源需求。有别于传统的燃料电池(活性物质与电极的分离)和电化学电池(电化学可逆性),液流电池同时具有可分离的电活性物质储液罐和可逆的充放电循环性,综合了能量转换和能量存储的优势,且具有广泛的能量/功率调节自由度和可扩展性,被视为大规模储能的理想技术。但是传统的液流电池的广泛利用还受限于各方面的因素,包括较低的工作电压(<1.5 V)和能量密度(<30 Wh/L),基于重金属的活性物质的资源和环境方面的问题,活性物质穿梭引起的低库伦效率,昂贵的离子交换膜,强酸性电解液的安全隐患和对储液罐的腐蚀等等。

近日,德州大学奥斯汀分校余桂华教授课题组在Cell Press旗下的化学旗舰刊物Chem 上在线发表了关于新型液流电池的专题综述论文,系统总结了基于新能源材料与化学的先进液流电池设计理念,包括对活性物质、电极结构和隔膜的综合性设计与改进,从而实现对活性物质溶解度、氧化还原电位、分子尺度和稳定性,以及电极的导电性与表面积,隔膜的选择性与成本,还有能量转化与储存系统集成方面的优化。在活性物质部分,该论文系统介绍了基于新化学体系的氧化还原电对设计,包括低熔点的有机活性物质、有机大分子、基于金属与非金属的低共熔溶剂、碱金属负极,从而分别实高的溶解度、抑制的活性物质穿梭、高浓度、高电压,进而综合性提高液流电池的能量密度并潜在地降低成本。在电极设计部分,该论文总结了基于悬浊液的电极材料和光充电液流电池,从而分别实现与锂离子电池媲美的能量密度、能量转化与储存一体化设计,降低了能量收集的成本。在隔膜部分,该论文系统介绍了基于雷诺数调控的流体分层以及不互溶溶剂的无隔膜液流电池设计,从而进一步降低了电池的成本,拓宽了应用前景。总结来说,通过功能性导向的有机化学合成与无机材料的制备,利用纳米技术在改善材料特性方面的优势,综合物质科学、能源科学与工程学的跨学科研究,遵循液流电池的性能指标,包括能量密度、功率密度、库伦效率和生产成本等等,该文章详述了新型液流电池的设计方法与性能优化。文章最后讨论了液流电池技术在实际商业化应用时所面临的挑战,并展望了该领域的发展前景。

余桂华教授课题组近些年从能源化学的角度来设计新型液流电池,综合化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究,包括通过有机合成对活性物质的物理/化学性能进行优化,结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究,辅以理论计算模拟,发展了一系列新型有机液流电池、仿生液流电池、低共熔溶剂液流电池等等。通过把“原子经济性”的原则扩展到能源领域,为下一代绿色储能材料的开发开创了新的方法,并对氧化还原反应电对的分子设计提供了新的理念。相关工作已经发表在了Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Chem, Joule, Adv. Mater., Angew. Chem., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater.等著名刊物上,并被多次选作封面文章。