液體電池

液體電池由一將電化學活性電極浸泡在裝滿電解液的玻璃容器組成的電池。

任何電池，固體、液體或固液組合電池都只能貯存化學能。為了貯存化學能，任何電池得有三部分組成――陽極電極、陰極電極和陰陽電極之間的膜構成。大多數電池，包括筆記本電腦和電視機遙控器上使用的電池，都使用固體材料如鋅或鈷鋰充當陰極，石墨充當陽極，液體鹽溶液充當電解質膜。而此液體電池則不同，其陰陽和膜都是液體的，且都是熾熱的熔化的像稀泥似的液體。

在近幾年裡，薩多威嘗試了多種不同液體金屬的配方，最先嘗試的配方是熔化的銻和鎂充當電極，中間有一層硫化鈉充當膜。由於每一種金屬有不同的密度，因此這三種金屬不會彼此混合，且它們自然地分成三層。如果有意外事件干擾了這些金屬層，它們也將會因各自重量的不同而再次自動分成三層。不管它們是由什麼材料構成的，這些電池都放在不鏽鋼里密封著，大小和汽水飲料罐差不多。像此電池的內部材料一樣，此電池的大小也沒的最後確定下來。

薩多威說：“此電池應該很容易按比例擴大，如果我們想製造一個33加侖垃圾桶那麼大的電池，我們就能做到。如果我們想製造足球場那麼大的電池，我們也能做到。”而且，按比例縮放此電池大小很便宜，且能保持液體金屬處於液體狀態。此電池必須得加熱到500攝氏度才行，這是標準家用烤箱的最高溫度。

像家用烤箱一樣，液體金屬電池也需要同樣的安全規程，或許有一天這種液體電池將成為住宅、醫院和其它永久性建築的一部分。科學家表示，此電池是貯存風能或太陽能的理想設備。而且此全部的液體金屬電池最有可能取代其它的熔化金屬電池（有固體膜介於陰陽極之間），如硫化鈉電池，目前用作醫院的備用電力，或者用作電力調度者，當夜晚用電不緊張時，此電池從電網用電，而當白天處於用電高峰時，此電池就將能量回輸入電網。

麻省理工學院技術研究院對外公布了一項新技術 -- 半固態液體電池芯。研究人員表示，這項技術在未來新能源汽車發展上，將起到推動作用。半固態液體電池芯更換非常容易，只需為抽離電池內部耗光電能的“舊”電解液，再注入新電解液即可，短短几分鐘就可讓耗光電能的電池重新充滿能量，不需要大的更換站，車主可根據需要自行更換。

麻省理工學院研究人員表示，半固態電解液的可使用電極材料種類多、成本低、體積小，電能高，對於當今價格昂貴的鋰電池的開發和使用是一個很好的緩解。

過去20年來，鋰離子電池一直是前沿性的儲能研究。它們結構緊湊，輕巧的設計非常適合用於手機，筆記本電腦和個人電子產品，但鋰離子電池價格昂貴，而且退化問題妨礙它們進入電站高容量應用，就是用於全國電網。

桑迪亞國家實驗室研究員和無機化學家特拉維斯·安德森(travis anderson)帶領一個小組，開發出下一代液流電池。這種液流電池泵抽一種溶液，就是自由浮動的帶電荷的金屬離子，這種離子溶解在電解液中，溶液中自由浮動的離子可以導電，溶液從外部容器穿過電化學電池，把化學能轉換成電能。液流電池可快速充放電，只需改變電解液的充電狀態，這種電活性物質很容易重複使用多次。安德森說，液流電池可以維持超過14000次循環，這是在實驗室，相當於20多年的能量儲存，在鋰離子電池中，這是不尋常的。

液流電池電網存儲系統，大致上尺寸相當於一所房子，成本超過同樣的鋰離子電池。研究人員的目標，是使液流電池體積更小，更便宜，同時增加給定的體積能量存儲，或能量密度。

液流電池已經實地應用於美國、日本和澳大利亞。大量的系統，高達25兆瓦都處在演示階段，根據《美國恢復和再投資法案》(arra：american recovery and reinvestment act)，管理者是能源部能源存儲系統研究項目。鋅溴和釩氧化還原系統(zincbromine and vanadium redox systems)是最大的競爭者。但所用的材料具有中等毒性，釩具有很大的價格波動。此外，水溶液限制了可以溶解的物質數量，以及可以儲存多少能量，而且，室外溫度會降低性能。

桑迪亞國家實驗室開創性地研究液流電池，可避免這些問題，因為不使用水。安德森組建了一個多學科小組，專家來自一些實驗室，包括電化學大衛·英格索蘭(david ingersoll)，有機化學家查德·斯泰格(chad staige)，化學技師哈里·普拉特(harry pratt)和喬納森·倫納德(jonathan leonard)。他們所設計的，是一種新型電化學可逆的、金屬基離子液體，或叫邁提爾溶液(metils)，採用的都是廉價無毒的材料，在美國很容易買到，如鐵，銅，錳。

不是把鹽溶解到溶劑中，我們的鹽就是一種溶劑。“我們可得到非常高濃度的活性金屬，因為我們不受飽和的限制。它實際上就在公式中。因此，我們可以經濟有效地增加三倍的能量密度，這可大大降低電池所需的尺寸，只是因為材料的性質。”

電化學效率，或反向充電性能，在邁提爾溶液中要高得多，遠遠超過迄今公布的其他任何東西。研究小組已經製備了近200種組合的陽離子、陰離子和配體以及這類物質，其中有五種超過二茂鐵(ferrocene)的電化學效率，這效率長期以來一直被認為是黃金標準。

一個共同問題是，混合帶正電荷和帶負電荷的成分，這些成分就會開始聚集在一起，最終使溶液變為粘性，堵塞電池膜和電極表面。研究小組解決了這一挑戰，他們開發出不對稱的陽離子，或者帶正電的離子，這種離子就像一個足球。在這個比喻中，黑色的五邊形代錶帶負電荷的區域，白色的六邊形代表正電荷的區域。這種排列降低了熔點，因為可防止離子液體成分鍵合，形成固體，同時，部分電荷仍使電子可以自由流動，穿過電池，產生電流。

研究小組資金來自美國能源部電力傳輸和能源可靠性辦公室(officeof electricity delivery and energy reliability)。伊姆雷·古柯(imre gyuk)是這一辦公室的能源儲存系統項目經理，一直支持桑迪亞國家實驗室的這項工作，而且提供了必要的資金。

“邁提爾溶液方法代表了一種巧妙的現成的溶液，是一種陰極/電解質聚合體。古柯說，“因為是採用現成的，價格低廉的前體，因此，它很可能帶來創新的、成本划算的存儲系統，會極大地影響整個美國電網。”

這一研究結果適用於新的液流電池正極材料。桑迪亞國家實驗室的小組下一步是找到類似材料，用於液流電池陽極，研究人員對他們的進步感到鼓舞。

桑迪亞國家實驗室(sandia national laboratory)的研究人員開發出一系列新的液體鹽電解質，就是所謂的邁提爾溶液(metils)，製成的電池經濟有效，存儲能量比目前的電池高三倍以上。

這項研究有助於經濟可靠地集成大規模間歇性可再生能源，如太陽能和風能，使併入全國電網。

桑迪亞國家實驗室的研究人員發現一種新的液體鹽電解質，可製成電池，能量密度提高三倍，勝過現有的其他存儲技術。這些所謂的邁提爾溶液(metils)，從左至右依次為：銅基化合物，鈷基化合物，錳基化合物，鐵基化合物，鎳基化合物和釩基化合物。來源：桑迪亞國家實驗室

電網的設計是用於穩定的能源，這樣，因為波動電力源自間歇性可再生能源，所以就很難適應。更好的能量存儲技術可平衡這些流動的波動能源，而桑迪亞國家實驗室的研究人員正在研究新的方法，開發更靈活、更具成本效益也更可靠的電網，以提高能源儲存。

美國和全世界都需要極大地突破電池技術，用可再生能源取代今天的碳基能源系統，桑迪亞國家實驗室。“邁提爾溶液是一種新的、有前途的化學電池，可能帶來下一代的電站蓄電池技術，取代鉛酸電池和鋰離子電池，帶來極大的能量存儲密度，進行這些應用。”