清洁能源是应对气候变化的主要解决方案。但是太阳能和风能在为可靠的电网提供足够的能量方面并不一致。或者，锂离子电池可以储存能量，但资源有限。

“燃煤电厂的优势在于它非常稳定，”佐治亚理工学院助理教授刘念说。“如果电源像清洁能源一样波动，就会使管理变得更加困难，那么我们如何使用储能设备或系统来消除这些波动呢?”

液流电池提供了一种解决方案。电解质从这种可充电电池中的储罐流过电化学电池。现有的液流电池技术成本超过200美元/千瓦时，对于实际应用来说过于昂贵，但刘在化学与生物分子工程学院(ChBE)的实验室开发了一种更紧凑的液流电池单元配置，将电池的尺寸减小了75%，并相应地降低了整个液流电池的尺寸和成本。这项工作可能会彻底改变从主要商业建筑到住宅的所有供电方式。

全佐治亚理工学院的研究小组在论文“具有超高体积功率密度的亚毫米捆绑微管液流电池”中发表了他们的发现，发表在《美国国家科学院院刊》上。

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液流电池得名于发生电子交换的流通池。他们的传统设计，平面电池，需要笨重的流量分配器和垫圈，增加了尺寸和成本，但降低了整体性能。电池本身也很昂贵。为了减少占地面积和成本，研究人员专注于提高流通池的体积功率密度(W / L-of-cell)。

他们转向化学分离中常用的配置——亚毫米束微管(SBMT)膜——由称为中空纤维的纤维形滤膜制成。这项创新具有节省空间的设计，可以减轻离子通过的膜压力，而无需额外的支持基础设施。

“我们对电池隔膜几何形状对液流电池性能的影响感兴趣，”ChBE教授Ryan Lively说。“我们意识到中空纤维赋予分离膜的优势，并着手在电池领域实现这些优势。

应用这一概念，研究人员开发了一种SMBT，可将膜与膜的距离缩短近100倍。设计中的微管膜可同时用作电解质分配器，无需大型支撑材料。捆绑的微管在电极和膜之间创造了更短的距离，增加了体积功率密度。这种捆绑设计是最大化液流电池潜力的关键发现。

为电池供电

为了验证他们的新电池配置，研究人员使用了四种不同的化学物质：钒，溴化锌，醌溴化物和碘化锌。虽然所有的化学成分都是功能性的，但有两个是最有希望的。钒是最成熟的化学成分，但也不太容易获得，它的还原形式在空气中不稳定。他们发现碘化锌是最能量密度的选择，使其成为住宅单元最有效的选择。即使与锂相比，碘化锌也具有许多优点：它的供应链问题较少，也可以变成氧化锌并溶解在酸中，使其更容易回收。

这种用于这种独特形状的液流电池的电化学解决方案被证明比传统的平面电池更强大。

“SMBT的卓越性能也通过有限元分析得到证明，”土木与环境工程学院助理教授谢星说。“这种模拟方法也将应用于我们未来的电池性能优化和放大研究。

使用碘化锌化学，电池可以运行超过220小时，或者在非高峰条件下>2，500次循环。通过使用回收的电解质，它还有可能将成本从每千瓦时800美元降低到200美元以下。

构建能源的未来

研究人员已经在致力于商业化，专注于开发具有不同化学成分的电池，如钒，并扩大其尺寸。缩放将需要提出一个自动化的工艺来制造中空纤维模块，现在这是手动完成的，一根纤维一根。他们最终希望在佐治亚理工学院位于Tech Square的1.4兆瓦微电网中部署电池，该项目测试微电网与电网的集成，并为教授和学生提供生活实验室。

SBMT电池还可以应用于不同的储能系统，如电解和燃料电池。该技术甚至可以在各种应用中使用先进材料和不同的化学成分来加强。

“这项创新非常受应用驱动，”刘说。“我们需要通过增加可再生能源在我们的能源生产中的比例来实现碳中和，而目前，美国的这一比例不到15%。我们的研究可以改变这一点。