《科学家将开发大规模储能电池技术》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-10-29
  • 随着电动车和新能源储能需求上升,业界期待更好的电池技术,其中液流电池在大规模储能系统方面具有很好前景。英国帝国理工学院26日表示,该校学者已获得欧盟资金资助,开发新一代液流电池技术。

      帝国理工学院宋启磊博士获得了欧洲研究理事会科研启动基金总值150万欧元(约合160万美元)的项目资助。他的团队将与爱丁堡大学、剑桥大学以及欧洲和中国的机构合作开发这种电池技术。

      宋启磊向新华社记者介绍说:“传统的锂离子电池是把电解液和电极材料封装起来,有机电解液热稳定性受到限制,容易发生爆燃,安全性受限;相比之下,液流电池将可以充放电的电解液材料和电堆单元解耦,这样正负极电解液可以单独储存在容器中,然后通过泵输送到电池内部实现充放电,安全性高,能量可长久储存,非常适合大规模的储能系统应用。”

      当前,比较常见的液流电池是全钒液流电池,这种电池采用的是商业化的离子交换膜和钒材料,但活性材料和隔膜的成本都很高,限制了液流电池的大规模使用。宋启磊在帝国理工学院的实验室中向记者展示了液流电池的关键组成部分——隔膜。这种材料的性能显著制约着液流电池性能和生产成本等因素。

      他说:“我们希望开发新型纳米多孔隔膜材料和低成本的电解质材料,通过分子设计从根本上提高膜的离子传导能力和选择性,结合纳米加工技术制备纳米膜,集成新型的电解质材料,有望开发下一代新型、廉价、环保、高能量密度的液流电池技术。”

      据团队介绍,新型膜材料技术不但可用于电池,未来在污水处理、气体净化等能源与环保领域也会有很好的应用前景。

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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-08-18
    • 来自斯科尔科沃科学和技术学院(Skoltech)和莫斯科国立大学(MSU)的科学家们确定了与钠离子电池(SIB)阳极材料中的电荷存储相关的电化学反应类型,这是一类很有前途的新型电化学电源。他们的研究结果以及该团队开发的阳极制造方法将有助于使SIB在俄罗斯及其他地区的商业化进程更加接近。该研究发表在《Electrochimica Acta》上。   如今,锂离子电池(LIB)是最受欢迎的电化学电源,被广泛应用于从手机(几瓦时)到发电厂的缓冲系统(数百万瓦时)的各种领域。对锂离子电池的需求和存储设备的平均尺寸都在不断增长,然而这种增长趋势却遇到了多重障碍,如锂盐的高成本、全球锂储量有限以及各国含锂矿床分布不均等。为了克服这些障碍,包括俄罗斯在内的全球科学家都在研究SIB,这种替代技术可能会挑战LIB和广泛使用的铅酸电池。   钠是地壳中第六大常见元素。与锂相比,其盐类的价格要便宜100倍左右。虽然在化学性质上与锂相似,但钠还有其他的区别,这就需要在SIB设计中采用新的方法。电池由三个主要部分组成:阴极、阳极和电解质。阴极或电解质的成分和结构有广泛的多样性,而阳极仍然是一个绊脚石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB,因为碳六边形和钠阳离子的尺寸相差太大,无法提供夹层。硬碳似乎是唯一可以真正用于阳极的材料。由扭曲的石墨状层的不规则排列形成的硬碳表现出与LIB中的石墨相当的钠离子存储性能,然而仍然不清楚为什么以及如何发生这种情况。   "关于钠如何被引入硬碳中,有几种假说。在我们的研究中,我们验证并稍微扩展了其中的一个假设。我们发现,硬碳表现出夹层型行为,以积累大部分电荷,这是个好消息。夹层正是电池所需要的,而与 "假电容 "相关的表面过程则是超级电容器的责任,它在化学电源中形成了一个非常狭窄的发展空间。有趣的是,我们的日本同事,也是我们的主要研究者和MSU博士生的研究导师Zoya Bobyleva一开始就持有完全不同的观点。他是世界上SIB和硬碳领域的顶级专家之一,我们很难说服他我们是对的,但我们做到了!"Skoltech能源科技中心(CEST)和MSU的项目负责人和高级研究科学家Oleg Drozhzhin说。   去年,诺贝尔化学奖授予了三位 "开发锂离子电池 "的科学家。其中一位获奖者要归功于硬碳,这种负极材料在大约三十年前给锂离子电池技术带来了生命,后来被石墨取代。现在,硬碳可以再次催生一项新技术。   "这项工作非常了不起,不仅展示了硬碳在钠离子体系中的工作原理,而且找到了一种方法,可以生产出与LIB中石墨容量相当的超过300mAh/g的硬碳。创建和优化一种新的方法需要付出很多艰辛的努力,而这些努力通常都停留在幕后,几乎没有在科学论文中报道过,所以对我们来说,展示最终的成果很重要:我们成功地制造出了好的SIB阳极材料,我们知道它们是如何工作的。"MSU化学学院电化学系主任、Skoltech教授Evgeny Antipov评论道。
  • 《科学家开发新型燃料电池催化剂》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-10-29
    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用,但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。 现在,布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂,既能减少铂的使用,又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道,这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成,在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 2020年的目标。 “合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题,”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明,合金最初的性能比纯铂要好,但在燃料电池中,催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题,Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳,围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示,这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格,”Sun说。 “这增加了铂的反应性,同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下,这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述,但更具体地说,在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导,他是布朗工程学院的副教授,也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端,氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明,该催化剂在实验室环境下表现良好,优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性,而传统催化剂的性能明显下降。 但是,尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要,研究人员说,它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比,燃料电池环境温度更高,酸度也不同,这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久,研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室,在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明,该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂,到2020年,其初始活性为每毫克铂0.44安培,在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后,其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明,它的初始活性为每毫克0.56安培,在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环,我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标,”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中,这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利,他们希望继续开发和完善它。