麻省理工學院開發出新型無膜氫溴電池 低成本高容量

最近，麻省理工學院機械工程系的研究人員開發了一種新型無膜溴化氫電池，其性能與傳統膜電池相同，但大大降低了成本，并在低成本、高容量的電化學儲能技術方面取得了新進展，預計這將深刻改變當今的能源格局。

今天的儲能技術太貴了。

在當今的能源市場上，有豐富的電能來源，包括傳統的煤電、燃油發電和水電，以及風能和太陽能等間歇性能源，這些能源都在蓬勃發展。用戶的需求并不是恒定的，電力消耗也有高峰和低谷。因此，儲能技術是一個不可忽視的重要技術環節。所謂蓄電容量，是指當電力供應充足時，可以儲存，當需要時，可以提供。強大的儲能能力不僅可以保證骨干電網和分布式電網的高效穩定供電，還可以保證太陽能、風能等間歇性能源的大規模使用。特別是發展中國家和移動行業對便攜式儲能設備有著強烈的需求。

電池、燃料電池等電化學儲能系統在儲能技術中具有廣闊的應用前景。它們可以快速有效地充電和放電。特別是在使用太陽能或風能時，可以在陽光明媚時儲存電能，或在風力較大時儲存能量，然后在多云或刮風時幾分鐘內供電。此外，它們非常靈活方便，可以放在任何需要的地方。

然而，電化學儲能系統面臨的最大問題是成本。即使最好的電化學儲能裝置想要具有大容量，其成本也是不可接受的。例如，卡車大小的鋰電池可以提供大量能量，但成本太高。因此，可再生能源的發展與其說是一個技術問題，不如說是缺乏具有成本效益的儲能技術。

隔離膜：溴化氫儲能系統的最大問題

在研究和探索大規模電化學儲能裝置的過程中，人們開始關注溴化氫儲能系統。這兩種反應物具有一些獨特的財產，引起了人們的關注。與鋰相比，溴價格低廉，易于獲得，儲量豐富。它的原子序數是35，是一種鹵素。最外層有7個電子，很容易形成8個電子的穩定結構，因此它是一種活潑的非金屬單質，而氫只能提供一個電子。因此，氫和溴之間的化學反應可以非常迅速地發生，這比氫氧反應更快，并且具有更大的電流。目前，大多數大容量電化學儲能裝置都依賴于氫氧化學反應。

然而，當氫和溴自發反應時，由于反應太快，它們的大部分能量會以熱能的形式浪費掉。為了解決這個問題，電化學儲能系統的設計者通常使用昂貴的隔離膜來分離它們。膜式溴化氫儲能系統還有一個問題，即隨著時間的推移，當電化學儲能設備中產生氫溴酸時，隔離膜會受到損壞。因此，在過去的30年里，溴化氫液流電池的研究進展非常緩慢。

事實上，答案是顯而易見的。如果我們想有效地開發和利用溴化氫電化學儲能系統，最重要的是找到一種去除隔離膜的方法。有很多人有這種想法，不僅是現在的科學家，還有一些人過去也想過這種方法。在過去的10年里，許多科學家開發了一種無膜溴化氫電化學儲能系統。這些系統主要使用流體力學的層流技術來分離反應物。在適當的條件下，兩股液流平行流動，它們之間幾乎沒有混合。然而，這種無膜電化學儲能系統的電力從未超過膜系統的電力，因此無膜電化學蓄能系統通常被研究為……

學術興趣，這在商業上是不可行的。

無膜溴化氫儲能系統的大膽創新

麻省理工學院（MIT）機械工程系的研究人員提出了一個大膽而新穎的想法，即我們能否將無膜儲能系統的各自優勢與溴化氫的化學財產結合起來，將這兩個有限的系統結合起來，以獲得比任何單一系統都更好的結果。這種方法有望擺脫分離膜阻礙燃料電池發展的缺點，同時可以取代傳統無膜氧基電池的缺點。

溴化氫反應的最大特點之一是其可逆性。通常，無膜燃料電池中的反應物與輸出的產物不同，因此這些系統通常是“一次性”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。溴化氫化學反應的產物是電解質。電解液返回電池并從外部充電，可以形成溴和氫分子，從而達到充電效果。通過這種方式，可以形成“閉環”模式，從而可以在沒有隔膜的情況下為電池充電。

麻省理工學院設計的最新溴化氫電化學儲能系統有一個多孔陽極，頂部有少量鉑（Pt）催化劑，底部有一個固體石墨陰極。電解質氫溴酸含有帶負電的溴離子和帶正電的氫離子，在陽極和陰極之間流動。

在放電模式下，氫溴酸電解質從左側進入主通道并在電極之間流動，底部的多孔陽極金屬網防止電解質滲透。氫氣從頂部進入，同時氫溴酸和少量中性分子溴通過單獨的通道進入。在陽極，鉑催化氫的分解，形成帶正電的氫離子和帶負電的電子，然后通過不同的路徑移動到陰極。氫離子通過電解質，而電子通過外部電路流出以提供電能。在陰極，溴吸收電子并成為帶負電的離子。帶負電荷的溴離子和帶正電荷的氫離子形成氫溴酸電解質。在充電過程中，氫溴酸被重新注入電池，氫離子返回陽極形成氫氣，分子溴在陽極產生。

依靠層流技術的關鍵是防止反應物到達“錯誤”的電極。這種現象被稱為交叉現象，它會對陽極催化劑造成損壞。在新的設計中，金屬網允許氫氣進入電解質。

根據最新的數值模型，研究人員發現電池不同部位的分子溴濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，當它擴散到電解質中時，它的濃度會降低。如果有足夠的時間，溴最終會流向陽極，帶來不必要的交叉效應。然而，研究人員在設計中注意到了這個問題，并采取措施確保溴分子反應物不會到達陽極。

原型電池儲能的高效率和低成本令人滿意。

為了測試無膜溴化氫儲能系統的概念，研究人員設計了一個小型原型電池。它由兩個0.8毫米的電極、一個1.4厘米長的流動通道和一個用于將反應物引入設備的入口組成。研究人員根據不同的流速和不同的反應物濃度，在原型電池上進行了一系列實驗。即使在未優化的條件下，電池在室溫和壓力下的最大功率密度也為795毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。其性能相當于最好的膜溴化氫電池，比其他無膜電化學儲能設備高出兩到三倍。

原型電池的充電效率也令人興奮。在閉環模式下，研究人員將回收的反應產物充入設備進行充電。在反向操作中，將純氫溴酸通電，成功制備氫氣和溴。正向和反向模式的實驗結果表明，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率越高……

y達到200mW/cm2的90%以上，即峰值功率的25%。這些結果表明，原型電池的充放電效率具有很大的潛力。

初步成本估算也非常令人滿意。在傳統的膜燃料電池中，催化劑和分離器約占總成本的一半。新型溴化氫電池不需要分離器，不需要陰極催化劑，也不需要陽極催化劑。此外，由于溴化氫電池的高功率密度，降低了系統所需的能量，從而進一步降低了成本。研究人員仍在改進他們的系統，試圖讓電極更緊密地連接在一起，以實現更高的功率密度。因為所有的反應發生得非常快，即使沒有隔離膜的限制，氫離子通過電解質的速度仍然有限。此外，他們正在開發一種全新的電池結構，以確保電解液在閉環操作的捕獲和回收過程中不含溴分子。最近，麻省理工學院機械工程系的研究人員開發了一種新型無膜溴化氫電池，其性能與傳統膜電池相同，但大大降低了成本，并在低成本、高容量的電化學儲能技術方面取得了新進展，預計這將深刻改變當今的能源格局。

今天的儲能技術太貴了。

在當今的能源市場上，有豐富的電能來源，包括傳統的煤電、燃油發電和水電，以及風能和太陽能等間歇性能源，這些能源都在蓬勃發展。用戶的需求并不是恒定的，電力消耗也有高峰和低谷。因此，儲能技術是一個不可忽視的重要技術環節。所謂蓄電容量，是指當電力供應充足時，可以儲存，當需要時，可以提供。強大的儲能能力不僅可以保證骨干電網和分布式電網的高效穩定供電，還可以保證太陽能、風能等間歇性能源的大規模使用。特別是發展中國家和移動行業對便攜式儲能設備有著強烈的需求。

電池、燃料電池等電化學儲能系統在儲能技術中具有廣闊的應用前景。它們可以快速有效地充電和放電。特別是在使用太陽能或風能時，可以在陽光明媚時儲存電能，或在風力較大時儲存能量，然后在多云或刮風時幾分鐘內供電。此外，它們非常靈活方便，可以放在任何需要的地方。

然而，電化學儲能系統面臨的最大問題是成本。即使最好的電化學儲能裝置想要具有大容量，其成本也是不可接受的。例如，卡車大小的鋰電池可以提供大量能量，但成本太高。因此，可再生能源的發展與其說是一個技術問題，不如說是缺乏具有成本效益的儲能技術。

隔離膜：溴化氫儲能系統的最大問題

在研究和探索大規模電化學儲能裝置的過程中，人們開始關注溴化氫儲能系統。這兩種反應物具有一些獨特的財產，引起了人們的關注。與鋰相比，溴價格低廉，易于獲得，儲量豐富。它的原子序數是35，是一種鹵素。最外層有7個電子，很容易形成8個電子的穩定結構，因此它是一種活潑的非金屬單質，而氫只能提供一個電子。因此，氫和溴之間的化學反應可以非常迅速地發生，這比氫氧反應更快，并且具有更大的電流。目前，大多數大容量電化學儲能裝置都依賴于氫氧化學反應。

然而，當氫和溴自發反應時，由于反應太快，它們的大部分能量會以熱能的形式浪費掉。為了解決這個問題，電化學儲能系統的設計者通常使用昂貴的隔離膜來分離它們。膜式溴化氫儲能系統還存在另一個問題，即隨著時間的推移，當電解槽中產生氫溴酸時……

化學儲能設備，隔離膜會被損壞。因此，在過去的30年里，溴化氫液流電池的研究進展非常緩慢。

事實上，答案是顯而易見的。如果我們想有效地開發和利用溴化氫電化學儲能系統，最重要的是找到一種去除隔離膜的方法。有很多人有這種想法，不僅是現在的科學家，還有一些人過去也想過這種方法。在過去的10年里，許多科學家開發了一種無膜溴化氫電化學儲能系統。這些系統主要使用流體力學的層流技術來分離反應物。在適當的條件下，兩股液流平行流動，它們之間幾乎沒有混合。然而，這種無膜電化學儲能系統的電能從未超過膜系統的電功率，因此無膜電化學蓄能系統通常作為學術興趣進行研究，這在商業上是不可行的。

無膜溴化氫儲能系統的大膽創新

麻省理工學院（MIT）機械工程系的研究人員提出了一個大膽而新穎的想法，即我們能否將無膜儲能系統的各自優勢與溴化氫的化學財產結合起來，將這兩個有限的系統結合起來，以獲得比任何單一系統都更好的結果。這種方法有望擺脫分離膜阻礙燃料電池發展的缺點，同時可以取代傳統無膜氧基電池的缺點。

溴化氫反應的最大特點之一是其可逆性。通常，無膜燃料電池中的反應物與輸出的產物不同，因此這些系統通常是“一次性”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。溴化氫化學反應的產物是電解質。電解液返回電池并從外部充電，可以形成溴和氫分子，從而達到充電效果。通過這種方式，可以形成“閉環”模式，從而可以在沒有隔膜的情況下為電池充電。

麻省理工學院設計的最新溴化氫電化學儲能系統有一個多孔陽極，頂部有少量鉑（Pt）催化劑，底部有一個固體石墨陰極。電解質氫溴酸含有帶負電的溴離子和帶正電的氫離子，在陽極和陰極之間流動。

在放電模式下，氫溴酸電解質從左側進入主通道并在電極之間流動，底部的多孔陽極金屬網防止電解質滲透。氫氣從頂部進入，同時氫溴酸和少量中性分子溴通過單獨的通道進入。在陽極，鉑催化氫的分解，形成帶正電的氫離子和帶負電的電子，然后通過不同的路徑移動到陰極。氫離子通過電解質，而電子通過外部電路流出以提供電能。在陰極，溴吸收電子并成為帶負電的離子。帶負電荷的溴離子和帶正電荷的氫離子形成氫溴酸電解質。在充電過程中，氫溴酸被重新注入電池，氫離子返回陽極形成氫氣，分子溴在陽極產生。

依靠層流技術的關鍵是防止反應物到達“錯誤”的電極。這種現象被稱為交叉現象，它會對陽極催化劑造成損壞。在新的設計中，金屬網允許氫氣進入電解質。

根據最新的數值模型，研究人員發現電池不同部位的分子溴濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，當它擴散到電解質中時，它的濃度會降低。如果有足夠的時間，溴最終會流向陽極，帶來不必要的交叉效應。然而，研究人員在設計中注意到了這個問題，并采取措施確保溴分子反應物不會到達陽極。

原型電池儲能的高效率和低成本令人滿意。

為了測試無膜溴化氫儲能系統的概念，研究人員設計了一個小型蝙蝠原型……

它由兩個0.8毫米的電極、一個1.4厘米長的流動通道和一個用于將反應物引入設備的入口組成。研究人員根據不同的流速和不同的反應物濃度，在原型電池上進行了一系列實驗。即使在未優化的條件下，電池在室溫和壓力下的最大功率密度也為795毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。其性能相當于最好的膜溴化氫電池，比其他無膜電化學儲能設備高出兩到三倍。

原型電池的充電效率也令人興奮。在閉環模式下，研究人員將回收的反應產物充入設備進行充電。在反向操作中，將純氫溴酸通電，成功制備氫氣和溴。正向和反向模式的實驗結果表明，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達到200mW/cm2的90%以上，相當于峰值功率的25%。這些結果表明，原型電池的充放電效率具有很大的潛力。

初步成本估算也非常令人滿意。在傳統的膜燃料電池中，催化劑和分離器約占總成本的一半。新型溴化氫電池不需要分離器，不需要陰極催化劑，也不需要陽極催化劑。此外，由于溴化氫電池的高功率密度，降低了系統所需的能量，從而進一步降低了成本。研究人員仍在改進他們的系統，試圖讓電極更緊密地連接在一起，以實現更高的功率密度。因為所有的反應發生得非常快，即使沒有隔離膜的限制，氫離子通過電解質的速度仍然有限。此外，他們正在開發一種全新的電池結構，以確保電解液在閉環操作的捕獲和回收過程中不含溴分子。

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