钢板的延伸率公式:新型能量储存装置——半固态液流电池(SSFC)

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新型能量储存装置——半固态液流电池(SSFC)

时间:2011-06-14 20:56来源:新能源汽车聚焦网 作者:admin 点击:192次麻省理工大学的由美国A123系统公司联合创始人蒋业明教授带领的研究团队最近报道了一种新型能量储存装置——半固态液流电池(SSFC)。

麻省理工大学的由美国A123系统公司联合创始人蒋业明教授带领的研究团队最近报道了一种新型能量储存装置——半固态液流电池(SSFC)。去年8月份,A123公司斥资2400万美元以促成这一技术的商业化。

这种使用锂脱嵌化合物的半固态液流电池能提供300-500Wh/L的能量密度以及130-250Wh/kg的比能量,但其成本却异常低廉,分别只有$250/kWh(交通应用)和$100/kWh(电网储能)。

相较于以前的液流电池,SSFC的能量存储在包含固体活性材料的悬液中,电荷转移则是通过稀释纳米导线渗透网络来往完成的。新的半固态液流电池的能量密度比之前的液态液流电池高出一个数量级。此外,由这种电池构成的大规模储能系统的成本相比之前也有大幅度降低。

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。进一步的,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结构是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1.2 m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——与之对应的还有电池电压。

作者称,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:2.35 V) 体系——397 Wh/L (168 Wh/kg);

LiNi0.5Mn1.5O4–Li4Ti5O12 (平均放电电压:3.2 V)体系——353 Wh/L (150 Wh/kg);

LiCoO2–石墨 (平均放电电压:3.8 V) 体系——615 Wh/L (309 Wh/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本文开头所提及的300-500Wh/L和 130-250Wh/kg。

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公斤10-15美元和每公斤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。

 

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