Redox flow batteries (RFBs) are considered one of the most promising large-scale energy storage technologies. However, conventional RFBs suffer from low energy density due to the low solubility of the active materials in electrolyte. On the basis of the redox targeting reactions of battery materials, the redox flow lithium battery (RFLB) demonstrated in this report presents a disruptive approach to drastically enhancing the energy density of flow batteries. With LiFePO4 and TiO2 as the cathodic and anodic Li storage materials, respectively, the tank energy density of RFLB could reach ~500 watt-hours per liter (50% porosity), which is 10 times higher than that of a vanadium redox flow battery. The cell exhibits good electrochemical performance under a prolonged cycling test. Our prototype RFLB full cell paves the way toward the development of a new generation of flow batteries for large-scale energy storage.
原文链接：http://advances.sciencemag.org/content/1/10/e1500886.full
一种利用锂离子技术的新型流电池能够比传统电池储存更多的能源。
图片来源：C. Jia et al., Science Advances （2015）
被称为流电池的工业规模的电池有朝一日将开辟可再生能源的广泛使用，但这只有在这些设备能够便宜地存储大量能源，并将其输送到电网中时才能实现。而这正是传统流电池不能做的事。如今，研究人员报告说，他们已经研制出一种使用锂离子技术的新型流电池，这种电池存储的能量大约为市场上最常见流电池的10倍。在经过一些改进后，新电池将能够对人们存储和释放能源的方式产生重要影响。
流电池与人们都在使用的充电电池没有什么大的区别，除了它们巨大的体积。在传统充电电池中，电荷被储存在名为阳极的电极中。当放电时，电子被拉出阳极，连通它们工作的外部电路，并返回名为阴极的第二个电极。电极之间的液体电解质输送离子通过电池从而使电荷保持平衡。电池可以通过插上电源进行充电——此举迫使电荷与离子反向流动。
然而在流电池中，电荷被储存在位于外部液槽的液体电解质中。运送电荷的电解质能够随后被泵送到一个电极组件中，这种组件被称为叠层，包含了被一个离子导电膜分离的两个电极。这一装置使得大量电解质能够被储存于液槽中。由于这些液槽没有体积限制，因此一部流电池的存储能力可以根据需要按比例放大。这也就使得它们成为为输电网存储大量能源的理想装置。
如今，最先进的流电池被称为全钒液流电池（VRBs），这种电池将电荷储存在将钒离子溶解于水性溶液的电解质中。钒的优势在于其离子稳定性，并且能够在电池中反复循环而不会经历不必要的副反应。但钒价格昂贵，并且VRBs具有相对较低的能量密度。这也就意味着外部液槽必须相当大才能够保持有用的足够功率。
与VRBs相比，锂离子电池具有高得多的能量密度。然而很难将这项技术合并到流电池中。首先，流电池中将两个电极分离的膜必须能够顾及到锂离子的快速通道，从而在充放电过程中保持电荷平衡。目前的锂导电膜有效但脆弱，或灵活但效率低下。
为了解决这一问题，由新加坡国立大学材料学家Qing Wang率领的研究团队提出了一个混合的解决方案。他们保持了整体的流电池体系结构，即由一个中央电极叠层分离的电荷储存槽。但是在外部液槽的内部，研究人员放置了与液体完全相反的固体锂存储材料，一种含有常见的锂离子电池阴极材料，名为磷酸铁锂（LiFePO4）；另一种含有二氧化钛（TiO2），它有时会被用作锂离子电池的阳极。研究人员随后使用带电液体——被称为氧化还原介质——从固体到叠层并来回运送电荷。固体存储材料是多孔的，足以使液体氧化还原介质沸腾通过，并抓住电子和锂离子，将它们运送到膜。
研究人员同时改进了传统柔性膜材料，被称为全氟磺酸，并将其与另一种聚合物结合在一起，从而能够更好地让锂离子通过。该方法已经奏效。研究人员在11月27日的《科学进展》杂志上报告指出，与VRBs相比，这种新型的锂基流电池按液槽的体积计能够比前者多储存10倍的能量。
美国哈佛大学流电池专家Michael Aziz认为，这是一项“非常具有创新性”的工作。但他强调，尽管新电池具有更高的能量密度，但它提供能量的速度只是传统流电池的1/10000，这对于大多数应用而言太慢了。
Wang和他的同事承认这一局限，但他们表示通过进一步改善膜以及电荷转运氧化还原介质，应该能够提高输出流量。如果研究人员真的做到这一点，新的锂基流电池将为可再生能源储存提供急需的支持。（赵熙熙）
作者：赵熙熙（来源《中国科学报》)
