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隨著可再生能源逐步取代化石燃料發(fā)電廠，儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用變得更加重要。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的深度脫碳，最近，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)，它可以在幾十小時(shí)到季節(jié)之間充/放電，對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)研究表明，此類系統(tǒng)的資本成本應(yīng)低于目前鋰離子電池的成本。

鋰離子電池等封閉儲(chǔ)能系統(tǒng)(能量和功率耦合)的詳細(xì)成本分析顯示，負(fù)責(zé)能量存儲(chǔ)的化學(xué)品（錳酸鋰、石墨和炭黑）的成本占比為25%，其余75%的總成本是由于費(fèi)力的電極加工和昂貴的存儲(chǔ)容器(即包裝，如電流集流體，隔膜和極耳)。其他具有低化學(xué)成本的封閉電池系統(tǒng)，如Li-S(66%)和不流動(dòng)的Zn-MnO₂(59%至69%)電池，也有類似比例的電極處理和化學(xué)存儲(chǔ)成本。

另一方面，開(kāi)放式儲(chǔ)能系統(tǒng)，如液流電池或氫系統(tǒng)，通過(guò)儲(chǔ)存用來(lái)儲(chǔ)存能量的化學(xué)物質(zhì)來(lái)避免這些問(wèn)題。釩氧化還原流電池(VRFB)，可以說(shuō)是研究最多的液流電池系統(tǒng)，由于化學(xué)品的高成本(159美元/kWh)，仍然被認(rèn)為是昂貴的長(zhǎng)時(shí)間能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(圖1A)。新型液體氧化還原偶聯(lián)使用有機(jī)、有機(jī)金屬和無(wú)機(jī)化合物，如MV-TEMPO (53美元/kWh)和AQDS-HBr (42美元/kWh)被廣泛認(rèn)為是液流電池的低成本替代品。盡管其中一些化學(xué)物質(zhì)面臨著諸如化學(xué)降解和交叉污染等問(wèn)題，但它們具有巨大的商業(yè)化潛力。

圖1. 半固態(tài)液流電池可以實(shí)現(xiàn)低成本的能源

另一種降低化學(xué)品成本的可能方法是利用豐富和低成本的固體活性材料作為液流電池的半固體糊狀(懸浮)電極(圖1)。在20世紀(jì)70年代，鋅半固體電極被用作可機(jī)械充電的鋅-空氣燃料電池的流動(dòng)電極，最近，Duduta等人將這一概念應(yīng)用于低導(dǎo)電性氧化物，使用炭黑(CB)作為導(dǎo)電添加劑(圖1C)。這一演示為流體電池廣泛使用低成本化學(xué)品打開(kāi)了可能性。半固態(tài)電極的優(yōu)點(diǎn)包括高能量密度和高表面積來(lái)進(jìn)行法拉第和非法拉第反應(yīng)。然而，半固態(tài)電極具有糊狀特征，并且只在施加應(yīng)力或壓降高于臨界屈服應(yīng)力時(shí)流動(dòng)。這可能需要使用比全流電池的普通離心泵更昂貴的循環(huán)泵技術(shù)來(lái)減少來(lái)自泵的流量分配，并利用更深的通道來(lái)減少來(lái)自泵的功率消耗。

因此，盡管半固體液流電池的能量成本(即化學(xué)和化學(xué)存儲(chǔ))較低，但是由于流動(dòng)通道更深，設(shè)備的額外成本和功率消耗，加上更高的阻力/面積比，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)成本，并最終對(duì)存儲(chǔ)成本產(chǎn)生不利影響。

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美國(guó)工程院院士、麻省理工學(xué)院邵陽(yáng)教授和Thaneer Malai Narayanan在Joule上發(fā)文Low-cost manganese dioxide semi-solid electrode for flow batteries，評(píng)估了半固態(tài)液流電池的應(yīng)用價(jià)值。在本文中，作者將廣泛研究的MnO₂作為一種模型低成本活性材料，以了解半固態(tài)電極的組成如何影響其對(duì)半固態(tài)液流電池(SSFB)系統(tǒng)級(jí)成本的貢獻(xiàn)。

首先，通過(guò)電化學(xué)和流變實(shí)驗(yàn)確定了改變半固態(tài)電極組成對(duì)Zn-MnO₂電池的電化學(xué)性能和糊狀半固態(tài)電極的流變性能的影響。

其次，利用實(shí)驗(yàn)確定的半固態(tài)電極的電化學(xué)和流變特性，對(duì)SSFB系統(tǒng)進(jìn)行自下而上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。作者從已發(fā)表的技術(shù)經(jīng)濟(jì)文獻(xiàn)中獲得設(shè)備和材料成本參數(shù)，深入了解半固態(tài)電極的電化學(xué)性能和流變特性之間的權(quán)衡，并確定降低資本成本的策略。

最后，作者計(jì)算了Zn-MnO₂ SSFB體系的平均儲(chǔ)存成本，并與其他電化學(xué)體系進(jìn)行了比較，以了解SSFB在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能方面的競(jìng)爭(zhēng)力。

作者證明了盡管由于循環(huán)泵的成本較高，電力成本也較高，但Zn-MnO₂ SSFB可以與鋰離子電池和釩基氧化還原液流電池等在長(zhǎng)放電時(shí)間（24h或更長(zhǎng)）電化學(xué)儲(chǔ)能上競(jìng)爭(zhēng)。

在更長(zhǎng)的放電時(shí)間(如72小時(shí))，Zn-MnO₂ SSFB平均儲(chǔ)存成本比鋰離子和釩基氧化還原液流電池更便宜，僅略高于氫基儲(chǔ)能系統(tǒng)。

這些結(jié)果為進(jìn)一步研究半固態(tài)液流電池的發(fā)展提供了技術(shù)可行性和資金吸引力。

圖2. 碳黑濃度對(duì)0.4 vol% MnO₂半固態(tài)電極在2 M ZnSO₄ + 0.1 M MnSO₄電解質(zhì)中電化學(xué)性能的影響

圖3. MnO₂半固態(tài)電極在2 M ZnSO₄ + 0.1 M MnSO₄電解質(zhì)中的循環(huán)試驗(yàn)

圖4. 干燥的MnO₂半固態(tài)電極在不同荷電狀態(tài)下的XRD圖

圖5. 碳黑濃度對(duì)MnO₂半固態(tài)電極屈服應(yīng)力的影響

圖6. SSFB進(jìn)行自下而上的資本成本分析的框架

圖7. SSFB的資本成本分析

圖8. Zn-MnO₂ SSFB與其他電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均儲(chǔ)存成本比較

文獻(xiàn)信息

Narayanan et al., Low-cost manganese dioxide semi-solid electrode for flow batteries. Joule 5, 1-21.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.07.010

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