SSB蓄电池新概念颠覆了电池技术

SSB蓄电池新概念颠覆了电池技术

一种新的液体电池设计方法，使用类似于老式沙漏的被动重力馈电装置，由于系统成本低且设计和操作简单，因此可以提供很大的优势。麻省理工学院的研究人员制作了新电池的演示版。

液流电池——其中正极和负极均为液体形式并由膜隔开——并不是一个新概念，该研究团队的一些成员在三年前就提出了一个更早的概念。基本技术可以使用多种化学配方，包括在当今锂离子电池中发现的相同化合物。在这种情况下，关键部件不是在电池寿命期间保持在原位的固体板，而是可以在液体浆液中携带的微小颗粒。增加存储容量只需要更大的罐来容纳泥浆。

但所有以前版本的液体电池都依赖于复杂的储罐、阀门和泵系统，这增加了成本，并为可能的泄漏和故障提供了多种机会。

新版本取代了简单的重力进给泵系统，消除了这种复杂性。能量产生的速率可以简单地通过改变装置的角度来调整，从而加快或减慢流速。该概念在《能源与环境科学》杂志上的一篇论文中进行了描述，该论文由京瓷陶瓷教授 Yet-Ming Chiang、Pappalardo 机械工程教授 Alexander Slocum、工程学院教学创新 Gareth McKinley 教授和 POSCO 教授合着。材料科学与工程 W. Craig Carter，以及博士后 Xinwei Chen、研究生 Brandon Hopkins 和其他四人。

蒋将这种新方法描述为类似于“概念车”的一种设计——这种设计预计不会按原样投入生产，但它展示了一些最终可以产生真正产品的新想法。

液流电池的最初概念可以追溯到 1970 年代，但早期版本使用的材料能量密度非常低——也就是说，它们储存能量的能力与其重量成正比。几年前，随着高能量密度版本的推出，液流电池的发展迈出了重要的新一步，其中包括由麻省理工学院团队成员开发的一款，它使用与传统锂离子电池相同的化合物。该版本具有许多优点，但与其他液流电池共享其管道系统复杂性的缺点。

新版本用一个简单的重力供给系统取代了所有管道。原则上，它的功能就像一个旧的沙漏或鸡蛋计时器，颗粒通过一个狭窄的开口从一个罐子流到另一个罐子。然后可以通过翻转设备来反转流动。在这种情况下，整体形状看起来更像是一个矩形窗框，在两个窗扇在中间相交的地方有一个窄槽。

在该团队构建的概念验证版本中，电池的两侧只有一个由流动的液体组成，而另一侧——一块锂——是固体形式。该团队决定在制定最终目标之前以更简单的形式尝试这一概念，即两侧（正极和负极）都是液体并并排通过开口并由膜隔开的版本。

固态电池和液态电池各有优势，具体取决于它们的具体应用，蒋说，但“这里的概念表明你不需要被这两个极端所限制。这是介于中间某处的混合设备的一个例子。”

蒋说，新设计应该使电池系统更简单、更紧凑，这种电池系统成本低廉且模块化，允许逐步扩展并网存储系统以满足不断增长的需求。这种存储系统对于扩大风能和太阳能等间歇性电源的使用至关重要。

虽然传统的全固态电池需要为构成大型电池系统的每个电池提供电连接器，但在液流电池中，只有中心的小区域（沙漏的“颈部”）需要这些触点，从而大大简化系统的机械组装，蒋说。他说，这些组件非常简单，可以通过注塑甚至 3D 打印制造。

此外，液流电池的基本概念使得可以独立选择所需电池系统的两个主要特性：功率密度（在给定时刻可以提供多少能量）和能量密度（多少总能量）可以存储在系统中）。对于新的液体电池，功率密度由“堆栈”的大小决定，电池颗粒流经的触点，而能量密度则由其储罐的大小决定。“在传统电池中，功率和能量是高度相互依赖的，”蒋说。

他说，设计过程中最棘手的部分是控制液体浆料的特性以控制流速。浓稠的液体有点像瓶子里的番茄酱——一开始很难让它流动，但一旦开始，流动就太突然了。要使流动恰到好处，需要对液体混合物和机械结构的设计进行长时间的微调。

流量可以通过调节装置的角度来控制，Chiang 说，研究小组发现，在接近水平的非常浅的角度，“装置将最有效地运行，以非常稳定但低流量。 ” 他说，基本概念应该适用于电池不同部分的许多不同化学成分，但“我们选择用一种特定的化学成分来展示它，一种我们从以前的工作中理解的化学成分。我们并没有提议将这种特殊的化学反应作为最终结果。”

卡内基梅隆大学机械工程助理教授文卡特维斯瓦纳坦（Venkat Viswanathan）没有参与这项工作，他说：“作者已经能够在通常不同的流体力学和电化学领域之间架起一座桥梁，”并且这样做开发了一种有前途的电池存储新方法。“泵送占液流电池成本的很大一部分，”他说，“这种新的无泵设计可以真正激发一类被动驱动的液流电池。”

这项工作得到了美国能源部资助的储能研究联合中心的支持。该团队还包括研究生 Ahmed Helal 和 Frank Fan，以及博士后 Kyle Smith 和 Zheng Li。