麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究人員近日開發(fā)出一種新型無(wú)膜氫溴電池，其性能與傳統(tǒng)的有膜電池相當(dāng)，卻大大降低了成本，在低成本高容量電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)上取得了新的進(jìn)展，有望深刻改變當(dāng)今的能源格局。
當(dāng)今儲(chǔ)能技術(shù)成本太高
在當(dāng)今的能源市場(chǎng)上，電能來(lái)源十分豐富，既有傳統(tǒng)的煤電、油電、水電，也有正在大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源。用戶的需求也不是衡定不變的，存在著用電的波峰波谷。因此一個(gè)不容忽視的重要技術(shù)環(huán)節(jié)就是儲(chǔ)能技術(shù)。所謂的儲(chǔ)電能力意味著當(dāng)電力供應(yīng)充足時(shí)，可將其儲(chǔ)存起來(lái)，需要電時(shí)，則可以提供。儲(chǔ)能能力強(qiáng)不僅可以確保骨干電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)高效穩(wěn)定地提供電力供應(yīng)，也是大規(guī)模使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等間歇性能源的有力保障，尤其是發(fā)展中國(guó)家及移動(dòng)業(yè)都對(duì)便攜式儲(chǔ)能裝置有著強(qiáng)烈的需求。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，如電池和燃料電池等，在儲(chǔ)能技術(shù)上的應(yīng)用前景十分廣闊。它們可以快速高效地充放電。特別是在利用太陽(yáng)能或風(fēng)能時(shí)，可以在太陽(yáng)照耀時(shí)儲(chǔ)存電能，或風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)儲(chǔ)能，然后在多云或風(fēng)淡的時(shí)候，在幾分鐘內(nèi)把電供應(yīng)出來(lái)。此外它們還十分靈活便捷，哪里需要，就可以把他們放置在哪里。
不過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的最大問(wèn)題是成本問(wèn)題，即便是最好的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置要想擁有較大的容量，其成本也會(huì)令人難以接受。舉例來(lái)說(shuō)，一卡車大小的鋰電池可以提供大量的能量，但是成本實(shí)在太高了。因此發(fā)展可再生能源與其說(shuō)是技術(shù)問(wèn)題，倒不如說(shuō)是缺少具有成本效益的儲(chǔ)能技術(shù)手段。
隔離膜：氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大難題
在研究和探索大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的過(guò)程中，人們開始把注意力集中在氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)。這兩種反應(yīng)物有一些獨(dú)特的品性，引人關(guān)注。和鋰相比，溴價(jià)格便宜，容易獲得，且儲(chǔ)量豐富。其原子序數(shù)為35，是一種鹵素，最外層上有7個(gè)電子，容易形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以是活潑的非金屬單質(zhì)，而氫恰恰可以提供一個(gè)電子。因此在氫和溴之間可極其迅速地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其速度比氫氧反應(yīng)要快，其電流也較大，而目前的高容量電化學(xué)儲(chǔ)能裝置大多依靠氫氧化學(xué)反應(yīng)。
但當(dāng)氫和溴發(fā)生自發(fā)反應(yīng)時(shí),由于反應(yīng)過(guò)于迅速，其能量大多會(huì)以熱能的形式白白浪費(fèi)掉。為了解決這一難題，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們通常利用價(jià)格不菲的隔離膜將其分開。有膜氫溴儲(chǔ)能系統(tǒng)又存在另外一個(gè)問(wèn)題，就是隨著時(shí)間的推移，當(dāng)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生氫溴酸后，會(huì)損壞隔離膜。因此，30年來(lái)氫溴液流電池的研究進(jìn)展十分緩慢。
其實(shí)答案十分明顯，如果要想有效地開發(fā)利用氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，最重要的是要想辦法擺脫掉隔離膜。有這樣想法的人很多，不僅是現(xiàn)在的科學(xué)家想到了，過(guò)去也有人想到過(guò)這樣的方法。在過(guò)去的10年中，有許多科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了無(wú)膜氫溴電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要利用流體力學(xué)的層流技術(shù)，使反應(yīng)物發(fā)生分離。在正確的條件下，兩種液體流并行流動(dòng)，兩者之間很少或幾乎不發(fā)生混合。不過(guò)這樣的無(wú)膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電功率從來(lái)沒(méi)有超過(guò)有膜系統(tǒng)，因此無(wú)膜電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般作為一種學(xué)術(shù)興趣來(lái)開展研究，在商業(yè)上不存在可行性。
