石墨烯碳電極或將是實現(xiàn)液流電池低成本可再生能源存儲的關鍵

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發(fā)布時間：2024-08-23
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可再生能源未來的關鍵在于能夠安全且廉價地儲存大量能源。盡管特斯拉等公司已經(jīng)使用鋰離子電池建立了公用事業(yè)規(guī)模的能源儲存系統(tǒng)，但最具成本效益的方法仍被認為是液流電池。

儲存能量

鋰離子電池由負極（陽極）、正極（陰極）和允許鋰離子運動的電解質組成，所有這些都放在一個外殼或容器內。液流電池則不同。它將反應性電解質液體儲存在單獨的容器中，并將它們泵入反應器罐中，反應器罐內有一堆惰性電極，這些惰性電極從電解質溶液中剝離電子以產(chǎn)生電力。

通常，離子交換膜將反應器中的兩種電解質溶液彼此分開。液流電池儲能的能力僅與容納反應性液體的容器的大小有關。這意味著，由于能量儲存在電解質中，因此儲能容量與功率水平無關。

液流電池運動學

用于兩種電解液的材料必須形成還原-氧化 (氧化還原) 對，其中還原是電子的獲得，氧化是電子的損失。市售的液流電池由鋅和溴或金屬釩的各種氧化和還原狀態(tài)的組合制成。這兩種液流電池都很昂貴。

溴是一種劇毒物質，鋅溴液流電池電解質的腐蝕性要求能夠處理腐蝕性環(huán)境的組件。釩本身是一種昂貴的材料，含釩液流電池的成本中僅釩材料就高達 43%。

如何更便宜

為了尋找一種更低成本的選擇，研究人員開始研究混合液流電池。在混合液流電池中，電解質含有一種或多種溶解的電活性元素，并流過反應器電池，化學能在那里轉化為電能。電解質儲存在與正極和負極相對應的單獨罐中。由于沒有離子插入電極，它們保持完整，不易受到應力和開裂的影響。此外，流動的液體電解質有助于冷卻電極并防止過熱。

電極通常由金屬氫化物作為陽極，碳石墨材料作為陰極，它們對混合液流電池的性能和耐用性有重大影響。這就是為什么英國華威大學 (WMG) 最近的一份報告引起了人們的興趣。

WMG 的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，通過結合使用簡單而有效的納米碳添加劑（氮摻雜石墨烯）電泳沉積 (EPD) 處理的碳基電極和經(jīng)濟實惠的電解質來提高混合液流電池的性能和耐用性，同時顯著降低成本。

三個混合系統(tǒng)

研究人員使用無粘合劑電泳技術 (EPD)，利用氮摻雜石墨烯制成的電極（暴露于氮等離子體）增強了三種混合流動池。研究中檢查的三種混合流動池是：氫/釩 (RHVFC)、氫/錳 (RHMnFC) 和多硫化物/空氣 (S-Air)。

在這三種系統(tǒng)中，納米碳添加劑和碳紙電極與電泳沉積的氮摻雜石墨烯 (NG) 和碳電極的結合使用都帶來了好處。氫/釩系統(tǒng)的效率提高了 70% 以上，而氫/錳系統(tǒng)的能源效率提高了 30%。與裸碳紙電極相比，S-Air 電池的動力學提高了 3 倍。

華威大學 WMG 研究員兼該項目研究人員之一 Barun Chakrabarti 表示：“這種 EPD 技術不僅簡單，而且還提高了三種不同經(jīng)濟型混合液流電池的效率，從而增加了它們在電網(wǎng)規(guī)模儲能方面廣泛商業(yè)應用的潛力。”

不僅在高酸性或堿性環(huán)境中的性能和耐用性得到了改善，而且據(jù) WMG 稱，混合液流電池的總化學成本約為競爭電池（如鋰離子系統(tǒng)）成本的 1/30。當該技術規(guī)模擴大后，MWG 預計，大規(guī)模儲存風能或太陽能電力（持續(xù)數(shù)天）的成本約為每千瓦時 20-25 美元，而同等鋰離子電池系統(tǒng)的成本為 100-175 美元。

來源：Battery Technology（作者：凱文·克萊門斯）

https://www.batterytechonline.com/batteries/flow-vs-lithium-ion-batteries-for-energy-storage

信息來源：艾邦液流電池網(wǎng)

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