邵阳院士Joule：强势PK锂电/液流，全新电池体系潜力无限！

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随着可再生能源逐步取代化石燃料发电厂，储能系统的作用变得更加重要。为了实现电网的深度脱碳，最近，越来越多的人开始关注储能系统，它可以在几十小时到季节之间充/放电，对长期储能系统的经济学研究表明，此类系统的资本成本应低于目前锂离子电池的成本。
锂离子电池等封闭储能系统(能量和功率耦合)的详细成本分析显示，负责能量存储的化学品（锰酸锂、石墨和炭黑）的成本占比为25%，其余75%的总成本是由于费力的电极加工和昂贵的存储容器(即包装，如电流集流体，隔膜和极耳)。其他具有低化学成本的封闭电池系统，如Li-S(66%)和不流动的Zn-MnO2(59%至69%)电池，也有类似比例的电极处理和化学存储成本。
另一方面，开放式储能系统，如液流电池或氢系统，通过储存用来储存能量的化学物质来避免这些问题。钒氧化还原流电池(VRFB)，可以说是研究最多的液流电池系统，由于化学品的高成本(159美元/kWh)，仍然被认为是昂贵的长时间能量存储系统(图1A)。新型液体氧化还原偶联使用有机、有机金属和无机化合物，如MV-TEMPO (53美元/kWh)和AQDS-HBr (42美元/kWh)被广泛认为是液流电池的低成本替代品。尽管其中一些化学物质面临着诸如化学降解和交叉污染等问题，但它们具有巨大的商业化潜力。

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图1. 半固态液流电池可以实现低成本的能源
另一种降低化学品成本的可能方法是利用丰富和低成本的固体活性材料作为液流电池的半固体糊状(悬浮)电极(图1)。在20世纪70年代，锌半固体电极被用作可机械充电的锌-空气燃料电池的流动电极，最近，Duduta等人将这一概念应用于低导电性氧化物，使用炭黑(CB)作为导电添加剂(图1C)。这一演示为流体电池广泛使用低成本化学品打开了可能性。半固态电极的优点包括高能量密度和高表面积来进行法拉第和非法拉第反应。然而，半固态电极具有糊状特征，并且只在施加应力或压降高于临界屈服应力时流动。这可能需要使用比全流电池的普通离心泵更昂贵的循环泵技术来减少来自泵的流量分配，并利用更深的通道来减少来自泵的功率消耗。
因此，尽管半固体液流电池的能量成本(即化学和化学存储)较低，但是由于流动通道更深，设备的额外成本和功率消耗，加上更高的阻力/面积比，可能会导致系统级成本，并最终对存储成本产生不利影响。
邵阳院士Joule：强势PK锂电/液流，全新电池体系潜力无限！
美国工程院院士、麻省理工学院邵阳教授和Thaneer Malai Narayanan在Joule上发文Low-cost manganese dioxide semi-solid electrode for flow batteries，评估了半固态液流电池的应用价值。在本文中，作者将广泛研究的MnO2作为一种模型低成本活性材料，以了解半固态电极的组成如何影响其对半固态液流电池(SSFB)系统级成本的贡献。
首先，通过电化学和流变实验确定了改变半固态电极组成对Zn-MnO2电池的电化学性能和糊状半固态电极的流变性能的影响。
其次，利用实验确定的半固态电极的电化学和流变特性，对SSFB系统进行自下而上的技术经济分析。作者从已发表的技术经济文献中获得设备和材料成本参数，深入了解半固态电极的电化学性能和流变特性之间的权衡，并确定降低资本成本的策略。
最后，作者计算了Zn-MnO2 SSFB体系的平均储存成本，并与其他电化学体系进行了比较，以了解SSFB在长时间储能方面的竞争力。
作者证明了尽管由于循环泵的成本较高，电力成本也较高，但Zn-MnO2 SSFB可以与锂离子电池和钒基氧化还原液流电池等在长放电时间（24h或更长）电化学储能上竞争。
在更长的放电时间(如72小时)，Zn-MnO2 SSFB平均储存成本比锂离子和钒基氧化还原液流电池更便宜，仅略高于氢基储能系统。
这些结果为进一步研究半固态液流电池的发展提供了技术可行性和资金吸引力。

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图2. 碳黑浓度对0.4 vol% MnO2半固态电极在2 M ZnSO4 + 0.1 M MnSO4电解质中电化学性能的影响

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图3. MnO2半固态电极在2 M ZnSO4 + 0.1 M MnSO4电解质中的循环试验

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图4. 干燥的MnO2半固态电极在不同荷电状态下的XRD图

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图5. 碳黑浓度对MnO2半固态电极屈服应力的影响

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图6. SSFB进行自下而上的资本成本分析的框架

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图7. SSFB的资本成本分析
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图8. Zn-MnO2 SSFB与其他电化学储能系统的平均储存成本比较
文献信息

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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