我们的生态技术有问题。电池——从电动汽车到可再生能源，一切都依赖于这些小设备。然而， 电池不是以环保的方式制造的，而且变得越来越昂贵，这一事实阻碍了我们尽快采用这些拯救地球的技术。幸运的是，乔治亚理工学院的一群天才研究人员已经在液流电池技术上取得了简单但有效的进展，可以解决这些问题。
在我们深入研究之前，让我们先回顾一下液流电池是什么以及它与标准电池的区别。
什么是液流电池？
锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。
液流电池的工作方式非常相似。电池的正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解液通过电池循环。在电堆内部，正、负极电解液用离子交换膜（或离子隔膜）分隔开，电池外接负载和电源。
液流电池技术作为一种新型的大规模高效电化学储能（电）技术，通过反应活性物质的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量存储。在液流电池中，活性物质储存于电解液中，具有流动性，可以实现电化学反应场所（电极）与储能活性物质在空间上的分离，电池功率与容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。
液流电池尚未引起电池革命
与普通的二次电池不同，液流电池的储能活性物质与电极完全分开，功率和容量设计互相独立，易于模块组合和电池结构的放置；电解液储存于储罐中不会发生自放电；电堆只提供电化学反应的场所，自身不发生氧化还原反应；活性物质溶于电解液，电极枝晶生长刺破隔膜的危险在液流电池中大大降低；同时，流动的电解液可以把电池充电/放电过程产生的热量带走，避免由于电池发热而产生的电池结构损害甚至燃烧。
液流电池非常有前途。它们非常安全，本质上更便宜，并且使用比锂离子电池更环保的材料。但它们的能量密度也非常低，目前的设计并不像它们所能达到的那样具有成本效益。这在一定程度上是因为这种电池是基于几十年前的基于板材的电池、膜和电极配置。这导致了大量冗余部件、不必要的体积和额外的成本。
所有这些因素结合在一起，就是液流电池尚未引起电池革命的原因。但这种情况可能即将改变。
液流电池新突破会改变电力系统吗？
来源：乔治亚理工学院
美国乔治亚理工学院刘念教授团队开发了一种出色的解决方案——一种更紧凑的液流电池配置，将电池的大小减少了75%。液流电池的动力电池部分占电池成本的40%，所以他们专注于简化它。
普通液流电池由用螺栓固定在一起的平板制成，这意味着电极和膜的表面积是平坦的。因此，膜和电极材料的表面积与体积之比非常低，使得它们效率低而且笨重，更不用说组装电池所需的螺栓和多余的管子了，这增加了电池的重量。
研究团队将重点放在提高液流电池的体积功率密度(W/L-of-cell)上。他们转向了一种常用于化学分离的结构ーー亚毫米束状微管(SBMT)膜ーー由一种称为中空纤维的纤维状过滤膜制成。这项创新具有节省空间的设计，可以减轻离子通过的膜的压力，而不需要额外的支持基础设施。
乔治亚理工学院教授Ryan
Lively说：“我们感兴趣的是电池隔板几何形状对流动电池性能的影响。”“我们意识到中空纤维赋予隔膜的优势，并着手在电池领域实现同样的优势。”
应用这个概念，研究人员开发了一种SMBT，可以将膜到膜的距离缩短近100倍。设计中的微管膜可同时作为电解质分布器工作，不需要大的支撑材料。捆绑的微管在电极和膜之间创造了一个更短的距离，增加了体积功率密度。这种捆绑设计是最大限度地发挥液流电池的潜力的关键发现。
因为这种管状电池使用的材料比板式电池少得多，而且效率更高，刘念估计它可以使液流电池的价格下降50%！一块钒液流电池的成本约为每千瓦时50美元，英国正在开发每千瓦时25美元的液流电池。这意味着刘的电池价格可能会低至每千瓦时12.50美元！相比之下，锂离子电池的价格要贵11倍以上，每千瓦时138美元。此外，他估计，这可能导致电荷密度更高的液流电池的体积密度高达每升1.3千瓦(而标准液流电池仅为每升60瓦)，并将其寿命周期延长至超过2500个循环(相当于25年的运行)。
这就是有趣的地方。你看，对于一个完全依靠可再生能源运行的电网来说，它需要完全巨大的电网级别的电池组。这样一来，电网就可以在没有停电的情况下，经受长时间的低风和低阳光照射。然而，这些巨大的电池组目前的建造成本太高，因此，为什么目前没有国家能源电网只使用可再生能源。根据研究，为了使这种设置变得可行，每千瓦时的储存成本必须低于20美元。因此，刘念的液流电池的突破，结合其他先进的电池技术，让我们看见了可再生能源的未来。
想到这样一个简单的改变可以产生如此巨大的影响，这是非常值得注意的。使用他们技术的电池将是我们所创造的最便宜、最安全、最环保的电池之一。所以为了地球的利益，让我们希望他们能够把这项卓越的技术带到更高的水平，甚至更远。
