Flow 式電池架構已經顯示出在低成本、長壽命的公用事業規模儲能系統中的巨大應用潛力。現在，美國能源部太平洋西北國家實驗室 （PNNL） 的研究人員正在通過快速原型系統加速其商業化，該系統使他們能夠使用緊湊、低成本的“迷你流動電池”快速評估有前途的流動式電池新材料、工藝和技術（圖 1）。

太平洋西北國家實驗室圖1. PNNL 的電池研究員 Ruozhu Feng 拿著一個微型流通池的原型。

據 PNNL 稱，他們重新設計的微型流通池與傳統流通池的內部結構非常相似，縮小了 5 倍。但是，盡管尺寸較小，但微型流通池的性能與大型流通池相當。因此，新的電池測試系統需要的起始材料減少了一個數量級，同時提供的結果與標準的實驗室規模測試系統相同。

新的微型流通池設計和實驗驗證的詳細信息在發表在《電化學學會雜志》上的一篇文章中進行了描述。

小液流電池帶來大結果

“這份報告是第一步，表明縮小我們的實驗系統規模是有效的，”該研究的主要作者、材料科學家和液流電池研究員 Ruozhu Feng 說。“我們的最終目標是將 AI 和機器人技術的強大功能引入這一過程，以自動化和加速新液流電池設計的測試。”

通過減少所需的材料量并加快驗證過程，這項技術可以幫助推進可再生能源解決方案。研究人員還認為，這種小型化方法將有助于使用更廣泛的實驗化學成分進行實驗（圖 2）。

馮若珠 |太平洋西北國家實驗室一種新的微型液流電池（右）旨在加快有前途的新型液流電池技術的測試。

“目前，當我們確定有前途的新電池配方時，我們必須準備大量材料，這需要很多時間，”Feng 說。“通過這種微型流通池工藝，我們可以弄清楚擬議的新材料是否只在少量（毫克）可用的情況下有效。”

微型流通池設計面向專注于快速篩選和開發新電池材料的研究實驗室。在他們的研究中，該團隊表明，新型微型流通池適用于快速驗證材料穩定性。對各種材料化學成分和濃度的嚴格測試有助于增強研究人員對新型按比例縮小的系統充滿信心。

液流電池 101

顧名思義，液流電池由兩個腔室組成，每個腔室都充滿不同的液體。電池通過電化學反應充電，并以化學鍵形式儲存能量（圖 3，頂部）。當連接到外部電路時，它們會釋放能量，從而為電氣設備供電。

薩拉·萊文 |太平洋西北國家實驗室

圖3. 在這個商業規模液流電池的例子中，水系鐵 （Fe） 氧化還原液流電池以電子 （e-） 的形式捕獲能量，并通過改變流動液體電解質中的鐵電荷（上圖）來儲存能量。當需要儲存的能量時，鐵可以釋放電荷，向電網（底部）提供能量（電子）。

液流電池是一項關鍵技術，它們存儲來自風能和水力發電等間歇性能源的能量，然后根據需要釋放這些能量用于電網規模的應用（圖 3，底部）。與傳統電池不同，液流電池使用儲存在外部油箱中的液體電解質，可靈活擴展能量容量。

加速液流電池的發展

傳統上，液流電池新材料的發現是一個費力的試錯過程，通常需要克級有機化合物合成、廣泛的測試和大量時間投入。這種新的小型化單元設計，大約有撲克牌那么大，使用相當于幾粒沙子，大大減少了每次測試所需的時間和資源，同時仍然提供可靠的結果（圖 4）。

科特蘭·約翰遜 |太平洋西北國家實驗室圖4. 商用、電網規模的電池儲能系統是實驗性微型流通池尺寸的 1,000 倍到 2,000 倍。

除了 Feng、Liyu 和 Kim 之外，研究團隊還包括 PNNL 科學家 Chao Zeng、Carter C. Bracken、Yanang Liang 和首席研究員 Wei Wang。這項研究得到了儲能研究聯盟 （ESRA） 的支持，該聯盟是由美國能源部科學辦公室基礎能源科學計劃資助的能源創新中心，以及 PNNL 實驗室指導的戰略研究投資儲能材料計劃。

ESRA 聯合了來自國家實驗室和大學的領先專家，為能源存儲和下一代電池發現鋪平了道路，這將塑造電力的未來。

使美國新興能源行業受益的團隊努力

微型流通池的首席研究員兼設計師 Soowhan Kim 表示，他們成功的關鍵在于該團隊在流通電池設計方面擁有十多年的經驗，以及工程、熟練的加工和化學經驗。例如，PNNL 儀器和系統控制專家 Andrey Liyu 利用他的機械工程和微流體經驗，在不犧牲精度的情況下完成了規模縮小。

“從小電池到大堆棧，我們可以處理各種規模的液流電池設計和實驗，”PNNL 的 Grid Storage Launchpad 的首席研究員 Kim 說。“當我們加上計算專業知識和分析化學經驗時，這就是我們共同努力開發微型流通池的方式。我們希望向所有有興趣使用它的研究人員提供此功能。