現(xiàn)行的電網(wǎng)設計主要是針對穩(wěn)定電源，間歇性可再生能源所產(chǎn)生的波動電流非常難于并入電網(wǎng)。儲能技術可以消除波動電源所帶來的電流不穩(wěn)的狀況。桑迪國家實驗室的研究人員正在研究開發(fā)新型更加富有彈性、成本更低以及可靠性更高的帶有儲能裝置的電網(wǎng)。
美國和全球都需要在可再生能源技術領域獲得技術突破，進而取代今天的碳基能源體系，桑迪國家實驗室能源計劃首席指導專家Anthony Medina說。MetILs是一種新型的、有前景的電池化學技術，它可能提供下一代靜態(tài)存儲電池技術，取代現(xiàn)有的鉛酸蓄電池和鋰電池，提供用于儲能的更高的比能量密度。
過去20年，鋰電池始終處于儲能研究的最前沿，其所具有的緊湊、輕便的特性使其廣泛用于移動電話、筆記本電腦以及個人電子產(chǎn)品等，然而，鋰電池昂貴的價格和自放電問題限制了鋰電池在靜態(tài)、大規(guī)模國家電網(wǎng)中的應用。
桑迪國家實驗室研究員和無機化學專家Travis Anderson正在領導一個研究團隊開發(fā)下一代液流電池. 該液流電池通過儲箱向電化學電池中注入溶解于帶有可以導電、自由浮動狀態(tài)離子材料制成的電極中的帶電自由浮動狀態(tài)金屬離子溶液，從而將化學能轉化成電能。 通過改變電極的電荷狀態(tài)，液流電池可以快速實現(xiàn)充放電。電極材料可以多次重復使用。Anderson 說，實驗室條件下，液流電池循環(huán)壽命可以達到14000多次，相當于儲能裝置的使用壽命達20年之久，在鋰電池中是非同尋常的。
然而，液流電池電網(wǎng)儲能系統(tǒng)體積龐大，成本也高于鋰電池。研究人員的目標是使液流電池更小、更便宜，或者說在容積一定的情況下可以儲存更多的電能或者具有更高的比能量密度。
液流電池已經(jīng)在美國、日本、澳大利亞等國投入現(xiàn)場使用，目前大約有總計25兆瓦的儲能項目在美國處于示范階段，這些項目均由美國能源部儲能研究計劃管理。 鋅溴和釩電池均在考慮范圍之內(nèi)，但其所用材料毒性較大且釩價格波動較大。此外，液態(tài)溶液限制了能夠溶解其中的化學物質(zhì)的數(shù)量以及電能的儲量且外部溫度影響電池的運行效率。
桑迪國家實驗室在液流電池研究領域處于領先地位，通過使用非水基溶液避免上述問題。
Anderson組成了一直由來自實驗室不同學科領域的專家組成的科研隊伍，包括電化學專家David Ingersoll, 有機化學專家Chad Staiger 以及化學技術專家Harry Pratt 和 Jonathan Leonard. 他們開發(fā)了一種新型電化學可逆的,金屬基離子液體或者也稱之為MetILs, 這種液體基于便宜的、無毒的鐵、銅和錳等物質(zhì)。
桑迪國家實驗室的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的液態(tài)鹽電解質(zhì)，能夠使現(xiàn)有電池的能量密度增大3倍以上。從左到右依次是銅基混合液, 鈷基混合液, 錳基混合液, 鐵基混合液, 鎳基混合液和釩基混合液. 不是將鹽溶解于溶劑中，而是鹽本身就是溶劑,” Anderson 說. “我們能夠得到更高濃度的活性金屬因為我們不受溶液飽和度的限制. 僅僅受物質(zhì)特性的限制。因此，實際配方能夠將能量密度增加3倍以上，大大減小了電池的體積，進而顯著降低了成本。”
MetILs 中的電化學性能，或者電能轉化能力遠大于現(xiàn)有已經(jīng)公布的其他儲能方式。科研團隊現(xiàn)在已經(jīng)準備了將近200份陽離子、陰離子和配基的化合物, 其電化學效率超二茂鐵的電化學性能的5倍以上。
