麻省理工学院开发出新型无膜氢溴电池 低成本高容量

最近，麻省理工学院机械工程系的研究人员开发了一种新型无膜溴化氢电池，其性能与传统膜电池相同，但大大降低了成本，并在低成本、高容量的电化学储能技术方面取得了新进展，预计这将深刻改变当今的能源格局。

今天的储能技术太贵了。

在当今的能源市场上，有丰富的电能来源，包括传统的煤电、燃油发电和水电，以及风能和太阳能等间歇性能源，这些能源都在蓬勃发展。用户的需求并不是恒定的，电力消耗也有高峰和低谷。因此，储能技术是一个不可忽视的重要技术环节。所谓蓄电容量，是指当电力供应充足时，可以储存，当需要时，可以提供。强大的储能能力不仅可以保证骨干电网和分布式电网的高效稳定供电，还可以保证太阳能、风能等间歇性能源的大规模使用。特别是发展中国家和移动行业对便携式储能设备有着强烈的需求。

电池、燃料电池等电化学储能系统在储能技术中具有广阔的应用前景。它们可以快速有效地充电和放电。特别是在使用太阳能或风能时，可以在阳光明媚时储存电能，或在风力较大时储存能量，然后在多云或刮风时几分钟内供电。此外，它们非常灵活方便，可以放在任何需要的地方。

然而，电化学储能系统面临的最大问题是成本。即使最好的电化学储能装置想要具有大容量，其成本也是不可接受的。例如，卡车大小的锂电池可以提供大量能量，但成本太高。因此，可再生能源的发展与其说是一个技术问题，不如说是缺乏具有成本效益的储能技术。

隔离膜：溴化氢储能系统的最大问题

在研究和探索大规模电化学储能装置的过程中，人们开始关注溴化氢储能系统。这两种反应物具有一些独特的财产，引起了人们的关注。与锂相比，溴价格低廉，易于获得，储量丰富。它的原子序数是35，是一种卤素。最外层有7个电子，很容易形成8个电子的稳定结构，因此它是一种活泼的非金属单质，而氢只能提供一个电子。因此，氢和溴之间的化学反应可以非常迅速地发生，这比氢氧反应更快，并且具有更大的电流。目前，大多数大容量电化学储能装置都依赖于氢氧化学反应。

然而，当氢和溴自发反应时，由于反应太快，它们的大部分能量会以热能的形式浪费掉。为了解决这个问题，电化学储能系统的设计者通常使用昂贵的隔离膜来分离它们。膜式溴化氢储能系统还有一个问题，即随着时间的推移，当电化学储能设备中产生氢溴酸时，隔离膜会受到损坏。因此，在过去的30年里，溴化氢液流电池的研究进展非常缓慢。

事实上，答案是显而易见的。如果我们想有效地开发和利用溴化氢电化学储能系统，最重要的是找到一种去除隔离膜的方法。有很多人有这种想法，不仅是现在的科学家，还有一些人过去也想过这种方法。在过去的10年里，许多科学家开发了一种无膜溴化氢电化学储能系统。这些系统主要使用流体力学的层流技术来分离反应物。在适当的条件下，两股液流平行流动，它们之间几乎没有混合。然而，这种无膜电化学储能系统的电力从未超过膜系统的电力，因此无膜电化学蓄能系统通常被研究为……

学术兴趣，这在商业上是不可行的。

无膜溴化氢储能系统的大胆创新

麻省理工学院（MIT）机械工程系的研究人员提出了一个大胆而新颖的想法，即我们能否将无膜储能系统的各自优势与溴化氢的化学财产结合起来，将这两个有限的系统结合起来，以获得比任何单一系统都更好的结果。这种方法有望摆脱分离膜阻碍燃料电池发展的缺点，同时可以取代传统无膜氧基电池的缺点。

溴化氢反应的最大特点之一是其可逆性。通常，无膜燃料电池中的反应物与输出的产物不同，因此这些系统通常是“一次性”燃料电池，需要不断输入新鲜的反应物。溴化氢化学反应的产物是电解质。电解液返回电池并从外部充电，可以形成溴和氢分子，从而达到充电效果。通过这种方式，可以形成“闭环”模式，从而可以在没有隔膜的情况下为电池充电。

麻省理工学院设计的最新溴化氢电化学储能系统有一个多孔阳极，顶部有少量铂（Pt）催化剂，底部有一个固体石墨阴极。电解质氢溴酸含有带负电的溴离子和带正电的氢离子，在阳极和阴极之间流动。

在放电模式下，氢溴酸电解质从左侧进入主通道并在电极之间流动，底部的多孔阳极金属网防止电解质渗透。氢气从顶部进入，同时氢溴酸和少量中性分子溴通过单独的通道进入。在阳极，铂催化氢的分解，形成带正电的氢离子和带负电的电子，然后通过不同的路径移动到阴极。氢离子通过电解质，而电子通过外部电路流出以提供电能。在阴极，溴吸收电子并成为带负电的离子。带负电荷的溴离子和带正电荷的氢离子形成氢溴酸电解质。在充电过程中，氢溴酸被重新注入电池，氢离子返回阳极形成氢气，分子溴在阳极产生。

依靠层流技术的关键是防止反应物到达“错误”的电极。这种现象被称为交叉现象，它会对阳极催化剂造成损坏。在新的设计中，金属网允许氢气进入电解质。

根据最新的数值模型，研究人员发现电池不同部位的分子溴浓度不同。在阴极，溴变成氢溴酸，当它扩散到电解质中时，它的浓度会降低。如果有足够的时间，溴最终会流向阳极，带来不必要的交叉效应。然而，研究人员在设计中注意到了这个问题，并采取措施确保溴分子反应物不会到达阳极。

原型电池储能的高效率和低成本令人满意。

为了测试无膜溴化氢储能系统的概念，研究人员设计了一个小型原型电池。它由两个0.8毫米的电极、一个1.4厘米长的流动通道和一个用于将反应物引入设备的入口组成。研究人员根据不同的流速和不同的反应物浓度，在原型电池上进行了一系列实验。即使在未优化的条件下，电池在室温和压力下的最大功率密度也为795毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。其性能相当于最好的膜溴化氢电池，比其他无膜电化学储能设备高出两到三倍。

原型电池的充电效率也令人兴奋。在闭环模式下，研究人员将回收的反应产物充入设备进行充电。在反向操作中，将纯氢溴酸通电，成功制备氢气和溴。正向和反向模式的实验结果表明，反应物浓度越高，功率密度越高，双向电压效率越高……

y达到200mW/cm2的90%以上，即峰值功率的25%。这些结果表明，原型电池的充放电效率具有很大的潜力。

初步成本估算也非常令人满意。在传统的膜燃料电池中，催化剂和分离器约占总成本的一半。新型溴化氢电池不需要分离器，不需要阴极催化剂，也不需要阳极催化剂。此外，由于溴化氢电池的高功率密度，降低了系统所需的能量，从而进一步降低了成本。研究人员仍在改进他们的系统，试图让电极更紧密地连接在一起，以实现更高的功率密度。因为所有的反应发生得非常快，即使没有隔离膜的限制，氢离子通过电解质的速度仍然有限。此外，他们正在开发一种全新的电池结构，以确保电解液在闭环操作的捕获和回收过程中不含溴分子。最近，麻省理工学院机械工程系的研究人员开发了一种新型无膜溴化氢电池，其性能与传统膜电池相同，但大大降低了成本，并在低成本、高容量的电化学储能技术方面取得了新进展，预计这将深刻改变当今的能源格局。

今天的储能技术太贵了。

在当今的能源市场上，有丰富的电能来源，包括传统的煤电、燃油发电和水电，以及风能和太阳能等间歇性能源，这些能源都在蓬勃发展。用户的需求并不是恒定的，电力消耗也有高峰和低谷。因此，储能技术是一个不可忽视的重要技术环节。所谓蓄电容量，是指当电力供应充足时，可以储存，当需要时，可以提供。强大的储能能力不仅可以保证骨干电网和分布式电网的高效稳定供电，还可以保证太阳能、风能等间歇性能源的大规模使用。特别是发展中国家和移动行业对便携式储能设备有着强烈的需求。

电池、燃料电池等电化学储能系统在储能技术中具有广阔的应用前景。它们可以快速有效地充电和放电。特别是在使用太阳能或风能时，可以在阳光明媚时储存电能，或在风力较大时储存能量，然后在多云或刮风时几分钟内供电。此外，它们非常灵活方便，可以放在任何需要的地方。

然而，电化学储能系统面临的最大问题是成本。即使最好的电化学储能装置想要具有大容量，其成本也是不可接受的。例如，卡车大小的锂电池可以提供大量能量，但成本太高。因此，可再生能源的发展与其说是一个技术问题，不如说是缺乏具有成本效益的储能技术。

隔离膜：溴化氢储能系统的最大问题

在研究和探索大规模电化学储能装置的过程中，人们开始关注溴化氢储能系统。这两种反应物具有一些独特的财产，引起了人们的关注。与锂相比，溴价格低廉，易于获得，储量丰富。它的原子序数是35，是一种卤素。最外层有7个电子，很容易形成8个电子的稳定结构，因此它是一种活泼的非金属单质，而氢只能提供一个电子。因此，氢和溴之间的化学反应可以非常迅速地发生，这比氢氧反应更快，并且具有更大的电流。目前，大多数大容量电化学储能装置都依赖于氢氧化学反应。

然而，当氢和溴自发反应时，由于反应太快，它们的大部分能量会以热能的形式浪费掉。为了解决这个问题，电化学储能系统的设计者通常使用昂贵的隔离膜来分离它们。膜式溴化氢储能系统还存在另一个问题，即随着时间的推移，当电解槽中产生氢溴酸时……

化学储能设备，隔离膜会被损坏。因此，在过去的30年里，溴化氢液流电池的研究进展非常缓慢。

事实上，答案是显而易见的。如果我们想有效地开发和利用溴化氢电化学储能系统，最重要的是找到一种去除隔离膜的方法。有很多人有这种想法，不仅是现在的科学家，还有一些人过去也想过这种方法。在过去的10年里，许多科学家开发了一种无膜溴化氢电化学储能系统。这些系统主要使用流体力学的层流技术来分离反应物。在适当的条件下，两股液流平行流动，它们之间几乎没有混合。然而，这种无膜电化学储能系统的电能从未超过膜系统的电功率，因此无膜电化学蓄能系统通常作为学术兴趣进行研究，这在商业上是不可行的。

无膜溴化氢储能系统的大胆创新

麻省理工学院（MIT）机械工程系的研究人员提出了一个大胆而新颖的想法，即我们能否将无膜储能系统的各自优势与溴化氢的化学财产结合起来，将这两个有限的系统结合起来，以获得比任何单一系统都更好的结果。这种方法有望摆脱分离膜阻碍燃料电池发展的缺点，同时可以取代传统无膜氧基电池的缺点。

溴化氢反应的最大特点之一是其可逆性。通常，无膜燃料电池中的反应物与输出的产物不同，因此这些系统通常是“一次性”燃料电池，需要不断输入新鲜的反应物。溴化氢化学反应的产物是电解质。电解液返回电池并从外部充电，可以形成溴和氢分子，从而达到充电效果。通过这种方式，可以形成“闭环”模式，从而可以在没有隔膜的情况下为电池充电。

麻省理工学院设计的最新溴化氢电化学储能系统有一个多孔阳极，顶部有少量铂（Pt）催化剂，底部有一个固体石墨阴极。电解质氢溴酸含有带负电的溴离子和带正电的氢离子，在阳极和阴极之间流动。

在放电模式下，氢溴酸电解质从左侧进入主通道并在电极之间流动，底部的多孔阳极金属网防止电解质渗透。氢气从顶部进入，同时氢溴酸和少量中性分子溴通过单独的通道进入。在阳极，铂催化氢的分解，形成带正电的氢离子和带负电的电子，然后通过不同的路径移动到阴极。氢离子通过电解质，而电子通过外部电路流出以提供电能。在阴极，溴吸收电子并成为带负电的离子。带负电荷的溴离子和带正电荷的氢离子形成氢溴酸电解质。在充电过程中，氢溴酸被重新注入电池，氢离子返回阳极形成氢气，分子溴在阳极产生。

依靠层流技术的关键是防止反应物到达“错误”的电极。这种现象被称为交叉现象，它会对阳极催化剂造成损坏。在新的设计中，金属网允许氢气进入电解质。

根据最新的数值模型，研究人员发现电池不同部位的分子溴浓度不同。在阴极，溴变成氢溴酸，当它扩散到电解质中时，它的浓度会降低。如果有足够的时间，溴最终会流向阳极，带来不必要的交叉效应。然而，研究人员在设计中注意到了这个问题，并采取措施确保溴分子反应物不会到达阳极。

原型电池储能的高效率和低成本令人满意。

为了测试无膜溴化氢储能系统的概念，研究人员设计了一个小型蝙蝠原型……

它由两个0.8毫米的电极、一个1.4厘米长的流动通道和一个用于将反应物引入设备的入口组成。研究人员根据不同的流速和不同的反应物浓度，在原型电池上进行了一系列实验。即使在未优化的条件下，电池在室温和压力下的最大功率密度也为795毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。其性能相当于最好的膜溴化氢电池，比其他无膜电化学储能设备高出两到三倍。

原型电池的充电效率也令人兴奋。在闭环模式下，研究人员将回收的反应产物充入设备进行充电。在反向操作中，将纯氢溴酸通电，成功制备氢气和溴。正向和反向模式的实验结果表明，反应物浓度越高，功率密度越高，双向电压效率达到200mW/cm2的90%以上，相当于峰值功率的25%。这些结果表明，原型电池的充放电效率具有很大的潜力。

初步成本估算也非常令人满意。在传统的膜燃料电池中，催化剂和分离器约占总成本的一半。新型溴化氢电池不需要分离器，不需要阴极催化剂，也不需要阳极催化剂。此外，由于溴化氢电池的高功率密度，降低了系统所需的能量，从而进一步降低了成本。研究人员仍在改进他们的系统，试图让电极更紧密地连接在一起，以实现更高的功率密度。因为所有的反应发生得非常快，即使没有隔离膜的限制，氢离子通过电解质的速度仍然有限。此外，他们正在开发一种全新的电池结构，以确保电解液在闭环操作的捕获和回收过程中不含溴分子。

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