麻省理工学院的研究人员开发了一种新型半固态液流电池，该电池使用了一种含有分散二氧化锰p制品的混合物，以及一种称为炭黑的导电添加剂，当与锌悬浮液或锌板反应时，可以实现高效的电化学能量转换。功劳:Thaneer Narayanan电池由导电混合物制成糖蜜的浓度可以帮助解决脱碳难题的一个关键部分。麻省理工学院的一个跨学科团队发现，一种被称为半固态液流电池的电化学技术可以成为风能和太阳能等可变可再生能源(VRE)的一种具有成本竞争力的储能和备用形式。该小组的研究在《焦耳》杂志上发表的一篇论文中有所描述。麻省理工学院能源倡议(MITEI)的研究科学家、该团队成员Emre gencer说:“向清洁能源的过渡需要在太阳不照耀、风不吹的时候使用不同持续时间的储能系统。“我们的工作表明，当这些VRE电池一天或更长时间不能发电时，半固态液流电池可能是一个拯救生命的经济选择，例如在自然灾害的情况下。”
研究人员创造的可充电二氧化锌锰电池击败了其他长期储能竞争者。“我们进行了全面的、自下而上的分析，了解电池的成分如何影响性能和成本，同时考虑了所有的权衡，”Thaneer Malai Narayanan SM '18，博士' 21说。“我们表明，我们的系统可以比其他系统更便宜，并且可以扩大规模。”
纳拉亚南是这篇论文的主要作者，他在麻省理工学院进行了这项工作，这是他机械工程博士学位的一部分。其他作者包括gencer，朱，麻省理工学院电化学能源实验室博士后；加雷斯·麦金利，麻省理工学院工程学院教学创新教授和机械工程教授；和邵阳-霍恩，JR东工程教授，机械工程和材料科学与工程教授，电子研究实验室(RLE)成员，他指导麻省理工学院电化学能源实验室。
随波逐流
2016年，纳拉亚南开始了他的研究生学习，加入了电化学能源实验室，这是一个研究和探索缓解气候变化解决方案的温床，其中心是创新的电池化学和燃料和化学品脱碳。实验室面临的一个令人兴奋的机会是:当VRE发电计划启动时，开发适合电网规模需求的低碳和无碳备用能源系统。虽然该实验室有一个广泛的网络，研究使用固体氧化物燃料电池、锂离子电池和金属空气电池等的能量转换和储存，但纳拉亚南对液流电池特别感兴趣。在这些系统中，带有正负离子的两种不同的化学(电解质)溶液从不同的罐中泵出，穿过膜(称为堆)。在这里，离子流发生反应，将电能转化为化学能——实际上是给电池充电。当对储存的能量有需求时，溶液被泵回电池堆，将化学能再次转化为电能。
流动电池能够放电并释放储存的电能的持续时间，由流经电池组的带正电和带负电的电解质溶液的体积决定。理论上，只要这些溶液保持流动、反应，并将化学能转化为电能，电池系统就能提供电能。
纳拉亚南说:“对于持续一天以上的备份，流动电池的架构表明它们可能是一个便宜的选择。"你可以用太阳能和风能为水箱中的溶液充电."这使得整个系统无碳。
但是，尽管液流电池技术的前景已经等待了至少十年，但这些电池系统所需材料的不均衡性能和费用已经减缓了它们的实施。因此，纳拉亚南开始了一个雄心勃勃的旅程:设计和制造一种可以支持VRE系统一天或更长时间的液流电池，以与备用对手相同或更高的效率储存和释放能量；并通过严格的成本分析来确定这种系统作为一种长期能源选择在经济上是否可行。
多学科合作者
为了应对这一多管齐下的挑战，纳拉亚南的项目汇集了，用他的话说，“三大巨头，在各自领域都很有名的科学家”:专门研究化学物理和电化学科学，以及材料设计的邵-霍恩；gener，他在MITEI创建了紧急能源系统的详细经济模型；和流动物理学流变学专家麦金利。这三位也是他的论文顾问。
“我很高兴能在这样一个跨学科的团队中工作，这提供了一个独特的机会，通过在可流动的半固体电极中设计电荷转移和离子传输来创造一种新的电池架构，并利用这种可流动电池的技术经济学来指导电池工程，”邵-霍恩说。
尽管其他有争议的液流电池系统，如钒氧化还原液流电池，提供了存储容量和能量密度来支持兆瓦级和更大的电力系统，但它们依赖于昂贵的化学成分，这使得它们在长时间使用中成为不良赌注。纳拉亚南正在寻找价格较低的化学成分，这些成分也具有丰富的能源潜力。
通过一系列的台架实验，研究人员为电池系统想出了一种新型电极(电导体):一种含有分散的二氧化锰(MnO2)颗粒的混合物，与导电添加剂炭黑一起射出。这种化合物与电池组中的导电锌溶液或锌板反应，实现高效的电化学能量转换。这种电池的流体特性与其他液流电池使用的水溶液相去甚远。
“这是一种半固体——一种浆液，”纳拉亚南说。“像厚厚的黑色油漆，或者软冰淇淋，”麦金利建议。炭黑加入颜料和电动打孔机。为了得到最佳的电化学混合物，研究人员多次调整他们的配方。
麦金利说:“这些系统必须能够在合理的压力下流动，但也要有微弱的屈服应力，这样，当系统不使用时，活性二氧化锰颗粒就不会沉入流动罐的底部，也不会分离成电池/油性透明流体相以及碳颗粒和二氧化锰的致密糊状物。
这一系列实验为技术经济分析提供了信息。纳拉亚南说，通过“将成分、性能和成本联系起来”，他和根切能够对锌锰电池进行系统级成本和效率计算。
“评估早期技术的成本和性能非常困难，这是一个如何开发一种标准方法来帮助麻省理工学院和其他地方的研究人员的例子，”根切说。“这里的一个信息是，当您在实验工作的开发阶段包括成本分析时，您会对项目的成本影响有一个重要的早期了解。”
在最后一轮研究中，gener和Narayanan将锌锰电池与一套等效的电化学电池和氢备份系统进行了比较，考察了在8小时、24小时和72小时运行这些电池的资本成本。他们的发现让他们大吃一惊:对于超过一天的电池放电，他们的半固态液流电池胜过锂离子电池和钒氧化还原液流电池。即使考虑到将二氧化锰浆料从一个储罐泵送到另一个储罐的高昂费用，这也是事实。“我对此表示怀疑，并不指望这种电池会有竞争力，但一旦我进行了成本计算，它似乎是合理的，”根切说。
但是无碳电池备份是一个非常类似金发女孩的业务:不同的情况需要不同的持续时间解决方案，无论是预期的夜间太阳能损失，还是长期的、基于气候的电网中断。“锂离子非常适合8小时及以下的备份，但对于更长时间来说，材料太贵了，”根切说。“氢气在非常短的持续时间内非常昂贵，在非常长的持续时间内非常好，我们将需要所有的氢气。”这意味着继续研究锌锰系统，看看它可能适合什么地方是有意义的。
“下一步是采用我们的电池系统并建立起来，”Narayanan说，他现在是一名电池工程师。“我们的研究还指出了在半固态液流电池平台下可以开发的其他化学物质，因此我们可能会在有生之年看到这种技术用于储能。”
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