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质子电池研究取得突破
2018-03-13


[据每日科学网站201837日报道]  澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学(RMIT)的研究人员首次展示了一种可充电的“质子电池”,它可以重构我们的家庭、车辆和设备供电方式。



可再充电电池对环境友好,并且具有进一步发展的潜力,能够存储比当前可用的锂离子电池更多的能量。



质子电池的潜在应用包括家用太阳能光伏板的储电,如特斯拉使用锂离子电池的“电源墙”所做的那样。



通过一些修改和扩大规模,质子电池技术还可用于中等规模的电网存储,如南澳大利亚的巨型锂电池以及为电动汽车供电。



工作原型质子电池使用碳电极作为氢储存器,再加上可逆燃料电池以产生电力。首席研究员约翰安德鲁斯教授说,碳电极加水质子,为质子电池提供环境、能量和潜在的经济优势。



我们的最新进展向廉价、可持续的质子电池迈出了关键一步,它可以帮助我们满足未来的能源需求,而不会进一步破坏我们已经脆弱的环境。安德鲁斯说。



“随着全球趋向使用内在的、多变性的可再生能源以减少温室气体排放并应对气候变化,对电能储存的要求将非常庞大。质子电池是满足这种巨大能量储存需求的众多潜在贡献者之一。使用质子给电池供电可能比使用由于资源紧张而产生的锂离子电池更经济。”



“碳是我们质子电池中使用的主要资源,与金属储氢合金和可充电锂离子电池所需的锂相比,丰富且便宜。”



在充电过程中,电极中的碳与质子结合,该质子是由于电源中电子将水分裂而成的。质子再次释放并通过可逆燃料电池返回,与空气中的氧气形成水来发电。与化石燃料不同,碳在该过程中不会燃烧或造成排放。



实验表明,质子电池内部活性表面积仅为5.5平方厘米(小于20美分的硬币),其单位质量的能量存储量已经与市售锂离子电池相同。这是质子电池被优化之前的结果。



未来的工作将集中在通过使用原子级薄层碳基材料(如石墨烯)进一步提高性能和能量密度,其目标是使质子电池真正具有与锂离子电池竞争的能力。安德鲁斯说。



RMIT对质子电池的研究部分得到了澳大利亚国防科学技术组和美国海军研究全球办公室的资助。



质子电池工作原理



工作原型质子电池结合了氢燃料电池和电池电力技术的最优性能。



最新版本将结合用于氢气固态储存的碳电极与可逆燃料电池,以提供集成的可充电单元。



在质子电池中成功使用由活性炭制成的电极是电池技术向前迈出的重要一步,并在国际氢能杂志上报道。



在充电期间,可逆燃料电池中水分解产生的质子穿过电池膜进行传导,并在电源电压提供的电子的辅助下与存储材料直接结合,而不形成氢气。



在供电模式中,这个过程是相反的。氢原子从储存器释放并失去电子再次变成质子。这些质子通过电池膜返回,在那里与来自外部电路的氧和电子结合以重新形成水。



质子电池的主要潜在优势是能量效率远高于传统的氢气系统,可与锂离子电池相媲美。氢气逸出和分裂成质子的损失被消除。



几年前,RMIT团队表明,具有可储存氢的金属合金电极的质子电池可以工作,但其可逆性和可再充电性太低。所用的合金也含有稀土元素,因此重且昂贵。



最新的实验结果表明,由酚醛树脂制成的多孔活性炭电极能够在电极中储存约1重量%的氢。单位质量的能量存储量已经可以与市售的锂离子电池相媲美,尽管质子电池远未达到最优化,其最大电池电压是1.2伏。(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)



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