MIT开发新型无膜溴化氢高容量电池

麻省理工学院机械工程系的研究人员最近开发出一种新型无膜溴化氢电池，其性能与传统膜电池相当，但大大降低了成本和低成本大容量电化学储能技术取得新进展，有望深刻改变当今能源格局。

如今的储能技术成本太高。

当今的能源市场，既有丰富的电能来源，包括传统的煤电、油电、水电，也有正在大力开发的风能、太阳能等间歇性能源。

用户的需求并不是恒定的，用电存在高峰和低谷。

因此，一个不可忽视的重要技术环节就是储能技术。

所谓储电能力，是指当电力供应充足时，可以储存起来，当需要电力时，可以提供电力。

强大的储能能力不仅可以保证骨干电网和分布式电网提供高效稳定的供电，也是大规模利用太阳能、风能等间歇性能源的有力保障。

尤其是发展中国家和移动行业对便携式储能设备很感兴趣。

需求旺盛。

电池、燃料电池等电化学储能系统在储能技术方面具有广阔的应用前景。

它们可以快速高效地充电和放电。

特别是使用太阳能或风能时，可以在阳光明媚或风力较大时储存电力，然后在阴天或有风时在几分钟内供电。

此外，它们非常灵活和方便。

您可以将它们放置在任何需要的地方。

然而，电化学储能系统面临的最大问题是成本。

即使最好的电化学储能装置容量很大，其成本也将是难以接受的。

例如，卡车大小的锂电池可以提供大量能量，但成本太高。

因此，可再生能源的发展与其说是技术问题，不如说是缺乏高性价比的储能技术。

隔离膜：氢溴储能系统最大的问题。

在研究和探索大规模电化学储能装置的过程中，人们开始关注氢溴储能系统。

这两种反应物具有一些引起关注的独特性质。

与锂相比，溴价廉、易获取、储量丰富。

它的原子序数是35，是卤素。

最外层有7个电子，很容易形成8电子稳定结构。

因此，它是一种活泼的非金属元素，氢只能提供一个电子。

因此，氢和溴之间可以极快地发生化学反应。

速度比氢氧反应快，电流也较大。

然而，目前的高容量电化学储能装置大多依赖于氢氧化学反应。

但当氢和溴自发反应时，由于反应太快，大部分能量以热的形式浪费了。

为了解决这个问题，电化学储能系统的设计者经常使用昂贵的隔离膜来将它们分开。

膜氢溴酸储能系统的另一个问题是，随着时间的推移，当电化学储能装置内部产生氢溴酸时，隔离膜会被损坏。

因此，近30年来氢溴液流电池的研究进展非常缓慢。

其实答案是很明显的。

如果想要有效开发利用氢溴电化学储能系统，最重要的是找到摆脱隔离膜的方法。

有这种想法的人很多。

不仅现在的科学家想到了，过去也有人想到过这样的方法。

近10年来，许多科学家开发出了无膜溴化氢电化学储能系统。

这些系统主要利用流体力学的层流技术来分离反应物。

在适当的条件下，两种液体流平行流动，两者之间很少或没有混合。

然而，这种无膜电化学储能系统的电力从未超过基于膜的系统。

因此，无膜电化学储能系统通常作为学术兴趣进行研究，并且在商业上不可行。

无膜溴化氢储能系统的大胆创新 麻省理工学院机械工程系的研究人员提出了一个大胆新颖的想法，就是能否将无膜储能系统各自的优点与氢的化学性质结合起来溴化物使两者结合。

将具有局限性的系统组合在一起可以比单独使用任何一个系统取得更好的结果。

这种方法有望摆脱隔离膜阻碍燃料电池发展的缺点，也可以替代传统无膜氧基电池性能较差的问题。

氢溴酸盐反应的最大特点之一是反应的可逆性。

通常，进入无膜燃料电池的反应物和产生的产物是不同的，因此这些系统通常是“直流”燃料电池，需要不断输入新鲜反应物。

氢溴酸盐化学反应的产物是电解质。

电解液返回电池并从外部充电，形成溴和氢分子以达到充电效果。

这创建了一个“闭环”模型，使无膜充电电池成为可能。

麻省理工学院设计的最新氢溴电化学储能系统具有顶部含有少量铂（Pt）催化剂的多孔阳极和底部的固体石墨阴极。

电解质氢溴酸在阳极和阴极之间流动，含有带负电的溴离子和带正电的氢离子。

在放电模式下，氢溴酸电解液从左侧进入主通道并在电极之间流动。

底部的多孔阳极金属网可防止电解液渗透。

氢气从顶部进入，而氢溴酸和少量中性分子溴则通过单独的通道进入。

在阳极，铂催化氢气分解，形成带正电的氢离子和带负电的电子，然后通过不同的路径移动到阴极。

氢离子穿过电解质，而电子则通过外部电路流出，提供电能。

在阴极，溴吸收电子并变成带负电的离子。

带负电的溴离子和带正电的氢离子形成氢溴酸电解质。

在充电过程中，氢溴酸被注入电池，氢离子返回正极，形成氢气，并在负极产生分子溴。

依靠层流技术的关键是防止反应物到达“错误”的电极。

这种现象称为交叉，会导致阳极催化剂损坏。

在新设计中，金属网允许氢气进入电解质。

根据最新的数值模型，研究人员发现电池不同部位的分子溴浓度不同。

在阴极，溴变成氢溴酸，并且随着溴扩散到电解液流中，其浓度降低。

如果有足够的时间，溴最终会流向阳极，导致不必要的交叉效应。

但研究人员在设计中意识到了这个问题，并采取措施确保溴分子反应物不会到达阳极。

原型电池的高效率和低成本储能令人鼓舞。

为了测试无膜氢溴酸盐储能系统的概念，研究人员设计了一种小型原型电池。

它由两个 0.8 毫米电极、一个 1.4 厘米长的流道和一个将反应物引导到设备中的入口组成。

研究人员在不同流速和不同反应物浓度下对原型电池进行了一系列实验。

即使在未优化的条件下，电池在室温和室温下也具有每平方厘米毫瓦（mW/cm2）的最大功率密度。

其性能可与最好的膜氢溴酸电池相媲美，比其他无膜电化学储能装置好两到三倍。

原型电池的充电效率同样令人兴奋。

研究人员将回收的反应产物以闭环模式装入设备中。

在相反的操作中，对纯氢溴酸通电成功地产生了氢气和溴。

正向和反向模式的实验结果表明，反应物浓度越高，功率密度越高。

双向电压效率达到mW/cm2以上90%以上，即峰值功率的25%。

这些结果表明原型电池在充电和放电效率方面都具有巨大的潜力。

初步成本估算也非常令人鼓舞。

对于传统的膜燃料电池来说，催化剂和隔离膜约占总成本的一半。

新型溴化氢电池不需要隔膜，没有阴极催化剂，并且使用很少的阳极催化剂。

此外，由于溴化氢电池的功率密度较高，系统所需的能量减少，从而进一步降低了成本。

研究人员正在继续改进他们的系统，试图将电极靠得更近，以实现更高的功率密度。

由于所有反应都发生得非常快，即使没有隔离膜的限制，氢离子通过电解质的速度仍然存在一定的限制。

此外，他们正在开发一种新的电池结构，确保在闭环操作的捕获和回收过程中电解液不含溴分子。