日常生活中司空見(jiàn)慣的絲襪，到了科學(xué)家手里竟然成為解決電池儲(chǔ)能問(wèn)題的“利器”。記者日前從中科院電工所獲悉，該所陳永翀團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種以“絲襪”作為電池關(guān)鍵部件的鋰離子液流電池。這樣的“絲襪”電池有什么神奇之處？近日，記者來(lái)到該所一探究竟。
4月23日，北京，陽(yáng)光明媚。推開(kāi)實(shí)驗(yàn)室大門(mén)，一頭利落短發(fā)的陳永翀正指導(dǎo)工程師組裝電池。看到記者進(jìn)來(lái)，他扶了扶眼鏡，笑容有些靦腆，“歡迎歡迎，就是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境簡(jiǎn)陋了點(diǎn)，希望不要介意”。
如果不是同事介紹，記者幾乎無(wú)法把眼前這位儒雅的青年人和中科院電工所儲(chǔ)能技術(shù)研究組組長(zhǎng)、固態(tài)反應(yīng)與擴(kuò)散中匈國(guó)際合作項(xiàng)目中方負(fù)責(zé)人等諸多頭銜聯(lián)系起來(lái)。
一談到自己的專業(yè)，陳永翀立刻變得神采飛揚(yáng)。“鋰離子液流電池是由我們獨(dú)立提出，并在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)發(fā)的新型儲(chǔ)能電池技術(shù)。它綜合了鋰離子電池和液流電池的優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，目前已完成技術(shù)原理驗(yàn)證，進(jìn)入基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期。”
2010年，陳永翀?jiān)趶氖聜鹘y(tǒng)鋰電池研究時(shí)，感覺(jué)鋰電池作為大型兆瓦級(jí)儲(chǔ)能裝備有一些弊端，即正負(fù)極是固定的，“電池成組壽命和安全性存在問(wèn)題，并且成本太高”。而液流電池的正負(fù)極電解液可循環(huán)流動(dòng)，應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能時(shí)成本較低。“當(dāng)時(shí)我就想，能不能把鋰電池和液流電池各自的優(yōu)點(diǎn)綜合起來(lái)，開(kāi)發(fā)一種全新的儲(chǔ)能電池，實(shí)現(xiàn)輸出功率和儲(chǔ)能容量彼此獨(dú)立。”
在多次嘗試后，陳永翀?zhí)岢鲣囯x子液流電池的概念。“事實(shí)上，美國(guó)麻省理工學(xué)院也曾提出類似的技術(shù)概念并開(kāi)展了研究，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有公開(kāi)。不過(guò)，美國(guó)科學(xué)家想利用它開(kāi)發(fā)電動(dòng)車的動(dòng)力電池，我們主要想用它做分布式電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝備，雙方側(cè)重點(diǎn)不一樣。”
由于陳永翀團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)唯一從事鋰離子液流電池技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)，此前并無(wú)先例，原創(chuàng)性很強(qiáng)，因此在尋求經(jīng)費(fèi)支持上頗費(fèi)工夫。“關(guān)鍵時(shí)刻，所里給我提供了一筆配套資金支持，加上北京好風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)有限公司的合作資金，我們的研究得以順利進(jìn)行。”
據(jù)記者了解，美國(guó)能源部先進(jìn)研究計(jì)劃署也看好這項(xiàng)技術(shù)，在今年3月宣布給予美國(guó)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)高達(dá)340萬(wàn)美元的資助。
如今，歷時(shí)3年多，陳永翀團(tuán)隊(duì)的研究已取得重大進(jìn)展。“如何提高電池功率密度以降低電池成本，是目前鋰離子液流電池技術(shù)研究的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們發(fā)明了一種基于電池集流內(nèi)阻解耦思路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可降低電池極化內(nèi)阻，從而提高電池的功率密度。這種設(shè)計(jì)屬世界首創(chuàng)。”陳永翀自豪地說(shuō)。
不過(guò)，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要一種被稱為“多孔集流體”的關(guān)鍵部件參與電池電能的反復(fù)存儲(chǔ)和釋放。“理論上講，多孔集流體必須盡可能的薄，在完成電子導(dǎo)電的同時(shí)，還必須具備足夠多的孔隙允許鋰離子快速通過(guò)。”在反復(fù)比較十余種多孔材料后，研究團(tuán)隊(duì)在絲襪中找到了答案。
“看，這就是我們當(dāng)時(shí)找來(lái)的各種材料，價(jià)格不一，最貴的要每平方米1000元，而尼龍絲襪材料每平方米只需要5元。”陳永翀指著試驗(yàn)臺(tái)上成堆的實(shí)驗(yàn)布料對(duì)記者說(shuō)。
試驗(yàn)臺(tái)的一側(cè)擺放著已做好的電池。絲襪材料經(jīng)特殊加工后，被組裝成不同大小的電池，最后和其他部件一起，變成臉盆大小的儲(chǔ)能電池模塊。“當(dāng)然，這個(gè)模塊的大小還可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。”
試驗(yàn)臺(tái)旁邊的充放電測(cè)試設(shè)備上掛滿了不同形狀的電池，看上去猶如小賣(mài)部的貨架。連接上電壓后，科研人員在電腦上就可查看“絲襪”電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。
“絲襪的主要成分為聚酰胺（俗稱尼龍），具有豐富的彈性多孔結(jié)構(gòu)，厚度極薄但強(qiáng)度很高，并且耐電解液腐蝕，在浸染導(dǎo)電漿料后變成了理想的多孔集流體材料。采用絲襪材料制作的電池，功率密度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，是原來(lái)鋰離子液流電池功率密度的10多倍。”陳永翀介紹說(shuō)，更重要的是相對(duì)其他材料，絲襪材料非常便宜，因此電池成本得以大幅降低。
“新型儲(chǔ)能技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，成本是關(guān)鍵。目前，我們正繼續(xù)優(yōu)化這種新型電池，預(yù)計(jì)再有兩三年時(shí)間，這種‘絲襪’電池將逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。大約5年后，這種新型儲(chǔ)能裝備估計(jì)就可以被大規(guī)模應(yīng)用在新能源領(lǐng)域。”陳永翀說(shuō)，屆時(shí)低成本儲(chǔ)能電池技術(shù)將邁入新的發(fā)展時(shí)代。
