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工程师设计用于液体电池的基于钙的多元件

发布时间:2018-05-15

em在一项新发表的研究中,麻省理工学院的研究人员表明,钙可以构成负极层和形成三层电池中间层的熔盐的基础。 / em

液态金属电池由麻省理工学院教授Donald Sadoway和他的学生十年前发明,是使可再生能源更实用的有前途的候选人。这些电池可以储存大量的能量,从而降低电力生产和用电的起伏,目前正在由剑桥的一家初创公司Ambri进行商业化。

现在,Sadoway和他的团队已经发现了另一组化学成分,可以使该技术更实用和更实惠,并开辟了一系列可以利用当地资源的潜在变化。

最新研究结果在Nature Communications杂志上发表,由Sadoway撰写,他是John F. Elliott材料化学教授,博士后Takanari Ouchi,Hojong Kim(现在是宾夕法尼亚州立大学教授)和博士生Brian Spatocco在麻省理工学院。他们表明,钙是一种丰富而便宜的元素,它可以作为形成三层电池中间层的负极层和熔盐的基础。

这是一个非常意外的发现,Sadoway说。钙具有一些特性,使得它看起来特别不可能用这种电池工作。一方面,钙容易溶解于盐中,然而液态电池的一个关键特征是其三种成分中的每一种都根据材料的不同密度形成单独的层,就像不同的利口酒在一些新颖的鸡尾酒中分开一样。至关重要的是,这些层次不能混合在他们的边界并保持其独特的身份。

他表示,在液体电池中使用钙来处理问题似乎是不可能的。 “这是最难做到的化学工作”,但由于钙的低成本以及固有的高电压作为负极而具有潜在的益处。 “对我来说,我最开心的是最难的事情,”他说,“Sadoway指出,这是麻省理工学院非常典型的态度。

另一个钙问题是其高熔点,这将迫使液体电池在接近900摄氏度的温度下运行,“这很荒谬,”Sadoway说。但这两个问题都是可以解决的。

首先,研究人员通过将钙与另一种廉价的金属镁合金化来解决温度问题,这种金属具有低得多的熔点。由此产生的混合物提供较低的操作温度 - 比纯钙低约300度 - 同时仍然保持钙的高电压优势。

另一个关键创新点在于电池中间层使用的盐(称为电解质)的配方,电荷载体或离子必须在使用电池时交叉。这些离子的迁移伴随着电流流过连接到上部和下部熔融金属层(电池的电极)的导线。

新的盐制剂由氯化锂和氯化钙的混合物组成,结果证明钙镁合金在这种盐中溶解不好,从而解决了使用钙的另一个挑战。

但解决这个问题也导致了一个很大的惊喜:通常有一个“流动离子”穿过可充电电池中的电解质,例如锂离子电池中的锂或钠硫中的钠。但在这种情况下,研究人员发现,熔盐电解质中的多个离子对流动起作用,从而提高了电池的总能量输出。这是一个完全偶然的发现,可以开辟电池设计的新途径,Sadoway说。

Sadoway说,这种新型电池化学品还有另一个潜在的巨大好处。 “这里有一个讽刺。如果你想找到高纯度的矿体,镁和钙常常被发现在一起,“他说。它需要花费很大的精力和精力去除其中的一种,从镁中去除钙“污染物”,反之亦然。但由于这些电池中电极所需的材料是两者的混合物,因此可能通过使用已含有一些其他金属的“较低”等级的金属来节省初始材料成本。

“有一整套供应链优化,人们没有想过,”他说。

Sadoway和Ouchi强调,这些特殊的化学组合只是冰山一角,这可能代表了设计电池配方的新方法的起点。由于所有这些液体电池(包括他实验室原来的液体电池材料以及Ambri正在开发的液体电池材料)都将使用类似的容器,绝缘系统和电子控制系统,因此电池的实际内部化学特性可能会随着时间的推移不断发展。他们也可以适应当地条件和材料的可用性,同时仍然使用大多数相同的组件。

“这里的教训是探索不同的化学品,并准备好改变市场条件,”Sadoway说。他们开发的“不是电池,这是一个整个电池领域。随着时间的推移,人们可以探索周期表的更多部分“来寻找更好的配方,他说。

“这篇论文将电池设计和元件材料方面的创新技术进步汇集在一个”基于成本的发现“的战略框架内,适用于电网规模应用所需的大规模扩展”,化学教授Richard Alkire说。和伊利诺斯大学的生物分子工程专业,他没有参与这项研究。

因为这项工作是建立在用于铝生产的发展良好的电化学系统的基础上的,Alkire说道:“因此,电网规模应用的发展路径可以充分利用可持续发展,环境,生活领域的大量现有工程经验周期,材料,制造成本和规模扩大。“

该研究得到美国能源部高级研究项目能源公司(ARPA-E)和法国能源公司Total S.A的支持。

出版物:Takanari Ouchi等,“用于网格尺度电化学储能的钙基多元化学”,Nature Communications 7,文章编号:10999; DOI:10.1038 / ncomms10999

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler