1   一种新型电池的出台

蒋业明教授(Yet-Ming Chiang)领导的麻省理工学院的研究人员,近年研发了一种新的半固态可充电锂液流电池单体(Lithium rechargeable semi-solid flow cell),这种用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池其能量密度比以前的液流电池大一个数量级,并可应用于交通运输和大规模电网的存储。这种新电池使用 “半固体”储能材料,而不是如今大多数电池所使用的固体电极材料,它不仅具有传统电池、燃料电池和液流电池的优良特性,并摒弃了这些电池中的一些缺点。对于蒋业明教授和半固态液流电池,大量网站和期刊予以报道和转载。根据现有的资料,向读者推介蒋业明及其半固态液流电池(SSFC)的现状、原理、性能和可预见的应用。

美国麻省理工学院(MIT)最近公布一项可能撼动当前电动车发展的最新研究成果。MIT材料科学系以蒋业明为首的研究团队,已成功研发出具有高度可替代性的新一代电池材料与架构,不仅重量轻体积小且成本低廉,还能够像传统汽车加油一般,在几分钟之内快速且简易地完成充电,可望成为电动车和智能电网电池的最佳方案。这项具突破性的研究成果,是由MIT材料科学系的Mihai Duduta和研究生Bryan Ho,在W.Craig Carter和Yet-Ming Chiang(蒋业明)教授的指导下完成的。 W.Craig Carter和Yet-Ming Chiang以及企业家Throop Wilder已经成立一家名为24M Technologies公司,拥有半固态液流材料技术的专利,从创投公司和美国联邦研究基金中,已经取得1600万美元的投资资金,美国国防部辖下先进研究计划署(DARPA)和国家级能源开发机构ARPA-E也是半固态液流电池材料技术的赞助者。

2   半固态液流电池的现状

当前,电动汽车的储能电源系统以铅酸蓄电池为主,锂离子电池是其新的宠儿,但电动汽车的发展仍受制于电池笨重、昂贵和浪费空间。传统的电池组包含几百个单体电池,每个单体电池的电气参数难以达到一致,对电池组的容量、充放电特性和寿命有不利的影响。每个单体电池都有固体电极,则电池组包含的固体电极非常多。这些电极上有金属箔集电器,采用塑料薄膜分隔。要增加储能,就要增加电极材料,因此,就需要更多金属箔和塑料薄膜,这也是电池组非常笨重的原因。蒋业明教授领导的团队研制出了一款名为“剑桥原油”的半固态液流电池,其不仅减少了电池内的“无效材料”,而且提高了电池的能效。

蒋业明表示,他们研制出的锂半固体态液流电池每单位体积传递的电力是传统电池的10倍。新电池每制造出1kWh电力的成本为现有电池成本的三分之一。而且,在几分钟之内快速且简易地完成充电,充电一次,电动汽车可行驶300公里,是现有电池的两倍。

3   半固态液流电池的结构和工作原理

目前的伽尔伐尼电池对电极活性材料的利用率非常低,即便是利用率最高的锂离子电池,也无法利用到50%(体积比)以上的活性材料。这主要是因为高能量材料会被非活性材料(如集流板、隔膜、电解液、电极粘结剂、导电添加剂、外包覆材料等)稀释。而由单体电池集成到系统的过程中,又使其能量密度下降至原有的一半。尽可能减少非活性材料的电极设计、生物组装以及自组装、3D结构,都是解决这类问题的新尝试,但这些尝试都还不成熟。

此外,把能量储存单元从发电单元中分离出来也是规模化后能显著提升系统级能量密度的一种策略。液流电池的活性材料通常置于外部贮存器，只有在发生反应时，才会被泵入离子/电子交换的发电装置。当系统的容量逐步增加时，其能量密度逐渐逼近活性溶液的能量密度。

考虑到其稳定性、可扩展性以及高性价比,水化学液流电池目前对于固定式应用来说非常不错。不过,由于它使用了低能量密度的活性材料,所以其单体电池电压较低(一般在1.5V左右),而且离子浓度也较低(一般在1.2M左右)。此外,由于外部储能的原因,泵入离子所连带的机械能量损失也必须考虑在内。于是,液流电池的设计优势就被这些因素逐步抵消了。

新的SSFC系统保留了液流电池的结构优势并在液体电解液中加入了高能量活性材料以大幅度提升了其能量密度。

假设固体物质占据其中的50%,则SSFC的体积比能量将是传统液流电池的5～20倍。研究人员表示,SSFC也能应用在水溶液体系中,那样能量密度也将提升5～20倍,但电池的电压仍将受到水解的限制而不得高于1.5V。于是,我们自然就想到了将其应用在非水溶液锂离子电池体系中,这样,能量密度将在此基础上继续提升1.5～3倍,与之对应的电池电压也将提升。

研究人员发现该电池的完善离不开活性材料颗粒与集流器之间的电荷交换。为了达成这一点,他们利用两种颗粒极限聚集行为来制作新型、电化学活跃的复合材料:

(1)少量导电纳米颗粒的扩散限制簇团凝聚(DLCA)以形成渗透导电网络;

(2)微米级储能颗粒的紧密压缩以获取最大能量密度。

在普通电池内,离子通过液体或粉末电解液在两个固体电极之间来回穿梭,迫使电子在连接电极的外部电线上流动来产生电流。而在半固态液流电池内,电极为细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆,电池使用两束泥浆流,一束带正电,一束带负电。两束泥浆都通过铝集电器和铜集电器,两个集电器之间有一个能透水的膜。当两束泥浆通过膜时,会交换锂离子,导致电流在外部流动。为了重新给电池充电,只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。半固态液流电池架构是以半固态的液流电池芯(semi-solid flow cell)为核心,电池芯内的固态颗粒是悬浮于液态媒介物中,透过电池系统的唧筒运动产生电能。在设计上,电池内主动组件的正极(anodes)和负极(cathodes)材料,就是由电池芯中电解液(liquid electrolyte)的悬浮颗粒所组成。这两个不同的悬浮液是由具渗透性的多孔离子薄膜(thin porous membrane)隔离开来,透过唧筒运动产生电能。这个半固态悬浮物看起来有点像泥浆,流动起来类似于黑色的黏稠物,由于被认为最终将可替代石油运输工具,因此研究人员戏称为「剑桥原油」(Cambridge crude)。其工作原理图如图1所示。

图1  半固态液流电池的原理图

在确定SSFC在非液流电池中的电化学活性后,研究人员测试了其在两种流动条件下的运行状况:连续循环模式以及间歇循环模式。他们发现含有40%(体积比)活性材料的SSFC能达到以下的理论能量密度:LiCoO2-Li4Ti5O12(平均放电电压:2.35V)体系——397Wh/L(168Wh/kg);LiNi0.5Mn1.5O4-Li4Ti5O12 (平均放电电压:3.2V)体系——353Wh/L(150Wh/kg); LiCoO2-石墨(平均放电电压:3.8V)体系——615Wh/L(309Wh/kg)。

组装成系统后,研究人员估计其能量密度及比能量能达到300～500Wh/L和 130～250Wh/kg。

4   半固态液流电池的可预见的应用

对于大规模的应用,SSFC能比传统锂离子电池提供更有竞争力的价格。短期内,活性材料以及非水溶液体系电解液的成本约为每千克10～15美元和每千克14美元,而单体电池的成本则在每千瓦时40～80美元左右。参照以上的价格,要把系统成本控制在每千瓦时250美元(交通应用)和每千瓦时100美元(电网储能应用)并不是一件难事。SSFC架构最值得注意的特点,在于设计上把储存所需电能以及释放所要电能这两大电池功能分别开来,由不同的物理架构作为基础。这有别于传统电池把储存和释放电能放在同一架构上运作的设计。这样的隔离设计可让电池更加发挥效能。这样的新设计架构可大幅减少包括机构和连接器等电池系统的尺寸和成本,预计可缩小50%左右。因此有效提升了电动车与一般汽油和柴油引擎汽车的竞争力。SSFC首先在电动汽车领域有可能替代铅酸电池、锂离子电池和超级电容器。进一步扩展其应用范围,将涉足太阳能发电和风力发电,作为新型储能电源系统发挥更大的作用。同样,在UPS供电系统中的应用也将提到日程上来。

5   结束语

作为一项新研发的新型能量储存装置,在制作工艺和详细的性能等方面,我们尚不十分明了。但从已公开发表的资料内容来看,半固态液流电池无疑具有优异的性能和广阔的应用前景。它的出现将使储能电源系统步入一个新的技术开发的时代。■