通過用線電極和管狀膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液流電池中的扁平電極和膜，研究人員已經(jīng)將電池的尺寸縮小了75%。這種面積和復(fù)雜性的減少可以降低液流電池的成本，而液流電池是在電網(wǎng)上存儲可再生能源的主要領(lǐng)跑者。

根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）的數(shù)據(jù)，太陽能和風能的增長速度比以往任何時候都快。在保證穩(wěn)定的前提下，為了使這些間歇性能源成為電網(wǎng)的常規(guī)部分，將需要電池大規(guī)模儲存能量。

液流電池是一種很有前途的技術(shù)。與鋰離子電池在固體電極中儲存能量不同，液流電池將化學能儲存在儲槽中的液體電解質(zhì)中。這些儲存的電荷在電力模塊中轉(zhuǎn)換成電流（反之亦然），該電力模塊是大量電化學電池。

每個電池都有一個正電極和一個負電極，由一層膜隔開，當電池充電和放電時，該膜允許某些離子通過。為了操作電池，兩種電解質(zhì)被泵送通過反應(yīng)堆電池的兩側(cè)。

理論上，通過增加水箱的尺寸，液流電池可以很容易地擴大到兆瓦時。它們也可以具有更長的壽命，并且比鋰離子更安全。不過，它們的成本仍然很高，每千瓦時的資本成本約為800美元，是鋰離子電池的兩倍多。佐治亞理工學院化學和生物分子工程教授Nian Liu表示：“但它們可以便宜得多，我們的工作加速了這一過程。”

Liu和他的同事專注于重新設(shè)計電源模塊，它占了液流電池成本的40%。今天的細胞仍然基于幾十年前的平端板、電極和膜的結(jié)構(gòu)。它們還有一些非活動部件，如框架、橡膠墊圈、雙極板和流量分配器，它們占據(jù)了電池的大部分體積，降低了電池的功率密度。“他們也讓它很貴，”Liu說，“而且它們不是必需的。”

該團隊從化學分離行業(yè)“借”來的新電池配置消除了這些組件。在他們的設(shè)計中，0.65毫米寬的管由離子傳輸材料Nafion制成，充當膜。研究人員將碳纖維陰極穿過管子。然后，他們將其中四根管子放在一根更大的2毫米塑料管內(nèi)，并將一根鋅絲穿過，作為陽極。在操作過程中，團隊通過外部塑料管泵送一種電解液，通過內(nèi)部四個較小的管泵送另一種電解液。

在這種設(shè)計中，電極和膜之間的距離從平面電池中常見的幾毫米下降到不到一毫米，從而提高了功率密度。Liu說：“我們把這個東西做得非常緊湊。所以我們使用更少的材料來實現(xiàn)相同的性能。更少的材料意味著更便宜。”

使用鋅碘化學（液流電池技術(shù)中常用的化學成分之一）進行的概念驗證測試表明，電池的充電密度約為1322瓦/升電解質(zhì)，放電密度約為306W/L。對于傳統(tǒng)的平面電池，這些數(shù)字分別低于60W/L和45W/L。研究人員于1月3日在《美國國家科學院院刊》（https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2213528120#executive-summary-abstract）上報道，這種電池持續(xù)了超過2500次充電循環(huán)，并與其他典型的液流電池化學成分兼容。

Liu估計，管狀設(shè)計應(yīng)該可以將液流電池功率模塊的成本降低大約一半。此外，電池中的所有組件都是現(xiàn)成的，擴大反應(yīng)堆電池的設(shè)計應(yīng)該很容易，因為它是基于化學工業(yè)中常用的設(shè)計。

他預(yù)計液流電池的總成本在未來幾年會下降。他說，目前已經(jīng)有很多關(guān)于改善電解質(zhì)的研究在進行，“而且人們也開始考慮回收電解質(zhì)。如果這一點得到證實，那么電解質(zhì)的成本可以大大降低。”

該團隊將很快與一家液流電池公司簽署研究合同，該公司將贊助進一步的研究，以擴大管狀液流電池的規(guī)模并對其進行基準測試，并在更大的系統(tǒng)層面上分析設(shè)計。

審核編輯 ：李倩