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石墨烯碳電極或?qū)⑹菍崿F(xiàn)液流電池低成本可再生能源存儲的關(guān)鍵

分類：新聞資訊
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發(fā)布時間：2024-08-23
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【概要描述】在三種不同的混合液流電池系統(tǒng)中，使用無粘合劑電泳沉積 (EPD) 技術(shù)，在商用碳紙電極上使用氮摻雜石墨烯，可顯著提高性能、耐用性和成本。

石墨烯碳電極或?qū)⑹菍崿F(xiàn)液流電池低成本可再生能源存儲的關(guān)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(guān)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(rèn)為是液流電池。

儲存能量

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

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

液流電池運(yùn)動學(xué)

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(zhì)，鋅溴液流電池電解質(zhì)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(dá) 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(zhì)含有一種或多種溶解的電活性元素，并流過反應(yīng)器電池，化學(xué)能在那里轉(zhuǎn)化為電能。電解質(zhì)儲存在與正極和負(fù)極相對應(yīng)的單獨(dú)罐中。由于沒有離子插入電極，它們保持完整，不易受到應(yīng)力和開裂的影響。此外，流動的液體電解質(zhì)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(xué) (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(jié)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(jì)實惠的電解質(zhì)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(shù) (EPD)，利用氮摻雜石墨烯制成的電極（暴露于氮等離子體）增強(qiáng)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(jié)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(xué)提高了 3 倍。

華威大學(xué) WMG 研究員兼該項目研究人員之一 Barun Chakrabarti 表示：“這種 EPD 技術(shù)不僅簡單，而且還提高了三種不同經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(xué)成本約為競爭電池（如鋰離子系統(tǒng)）成本的 1/30。當(dāng)該技術(shù)規(guī)模擴(kuò)大后，MWG 預(yù)計，大規(guī)模儲存風(fēng)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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