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Joule:麻省理工Yet-Ming Chiang-硫基水系液流电池新体系

Techno-Economic (TE)——技术经济,这是最近美国能源领域研究者在开展科研时所重点关注的,在之前的文章《科研走向产业化,我们常忽略的关键点》,我们也专门提到过技术经济的概念。麻省理工Yet-Ming Chiang团队在早些年就已经关注电池经济,他们通过统计电池化学材料的价格,评估了各种体系电池的经济成本增长情况(US$/kWh)并制成了图标(图1)。

Joule:麻省理工Yet-Ming Chiang-硫基水系液流电池新体系

图1. 电池体系成本增长统计图

从图中可以看出,金属硫化物体系电池的经济成本要比其他电池体系呈数量级的低。另外,硫储量非常丰富,如图所示是加拿大阿尔伯塔的硫金字塔,目前该地的硫存储量已有400万立方米,于是Yet-Ming Chiang组等人对于开发硫基材料电极更加感兴趣。

Joule:麻省理工Yet-Ming Chiang-硫基水系液流电池新体系图2. 加拿大阿尔伯塔的硫金字塔

技术经济模型表明,目前有两种可行的路径来降低储能成本(US$/kWh):一是非水电解质体系,虽然电解质成本较高,但能换来较高的电压和能量存储密度;另外一种是水系体系,虽然电解质成本第,但是能量密度也低。但考虑到技术的可拓展性,Yet-Ming Chiang组选择赌第二条路。斯坦福大学崔屹组已经证明Li-S半液流电池的可行性,其中采用非水聚硫化物溶液作为液流电极。

Yet-Ming Chiang组尝试将S电极作为正极运用到水系液流电池中,那么就必须保证负极能够在水中稳定存在,显然已经不能再按照崔屹组的实验方法走。除了稳定性,成本也必须考虑,否则S的关键优势就将不复存在。Yet-Ming Chiang组的Zheng Li开始了这一方面的研究,但也经历了一些波折。

Zheng Li设计的实验如下:

  • 负极:将Li2S溶解,分散在含碳水溶液中;

  • 正极:将KMnO4溶解,分散在含碳水溶液中;

  • 隔膜:LiSICON固态电解质隔膜(可导Li+)。

 Zheng Li发现这种电池充放电是可逆的,电荷存储量高达300 mAh/g-S(300 mAh每克硫)。虽然电池设计成功了,但是按照预想的机理解释正极KMnO4被还原成的MnO2是可逆的,而现实确不是这样。通过X射线衍射分析发现,所生成的MnO2不可逆并没有电化学活性,而是变成了沉淀。那么问题来了,究竟是什么因素导致S基水系电池的可逆循环呢?随着进一步的研究,Zheng Li恍然大悟:其实正极并不是KMnO4的可逆,而是可逆的O2还原和演化导致Li+可以可逆的跑向和离开正极溶液。于是,无需正极的硫基水系液流电池应用而生——终极低成本电池。

最后,我们看一下Yet-Ming Chiang团队的全家福

Joule:麻省理工Yet-Ming Chiang-硫基水系液流电池新体系

自左至右分别是:Fikile Brushett, Kai Xiang, Liang Su, Zheng Li, Stephanie Eiler, Andres Badel, SamPan,Yet-Ming Chiang (Ping-Chun Tsai,Joseph Valle未出现在图中)

参考文献:

Zheng Li, Menghsuan Sam Pan, Liang Su, Ping-Chun Tsai, Andres F. Bade, Joseph M. Valle, Stephanie L. Eiler, Kai Xiang, Fikile R. Brushett, Yet-Ming Chiang,, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2017.08.007 

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