王中林院士孙其君研究员AEM：嵌入式“感调一体”自驱动传感技术！液流电池储能分布式传感的新范式

　　液流电池（Flow battery, FB）作为最有前景的大规模储能策略之一，其在可扩展性、循环稳定性、安全性、低成本和对环境影响小等方面具有优势。储能电池最明显的特点是其氧化还原的电解质活性材料被储存在分离的存储罐中。最佳的流速对液流电池保持稳定和高效的工作状态很重要。然而，在液流电池的实际在做的工作过程中，电解质的流速会受到许多因素的影响，例如，不稳定的工作电压、多变的环境和疲劳上班时间。因此，一个能够监测和智能调节电解质流速的智能系统对于实现液流电池的最佳工作状态是很重要的。基于无功耗、结构多变和易于设计的优势，摩擦电传感器能根据需求设计制造并安装到指定的位置，这在智能工业领域具有极大的优越性和应用前景。

　　在该工作中，作者开发了基于液态金属薄膜的摩擦电自驱动传感器（Liquid Metal Based Thin-film and Self-powered Triboelectric Sensor, LM-TS）并将其首次用于监测液流电池中的实时电解质流速以此来实现嵌入式“感调一体”自驱动传感功能。LM-TS传感器直接安装在蠕动泵中，基于工作过程中蠕动泵橡胶管和转子之间周期性的接触和分离过程，设计的LM-TS传感器能实时监测电解质的流速。同时得益于液态金属薄膜的高导电性和形状适应性，LM-TS传感器在蠕动泵的运行过程中即使在高剪切应力下也能很好地保持其功能。该嵌入式LM-TS传感器表现出优越的传感性能和“感调一体”特性，其快速响应时间能小于9.1毫秒，并且具有超过20000次循环的出色的稳定性，以保证对流量的长期监测。最后，研究者采用钒液流电池（VRB）验证LM-TS智能调节的能力。通过逻辑模块和控制模块来读取LM-TS的脉冲信号，并对电解液的流速进行调节，将其稳定在45毫升/分钟（VRB的最佳状态）。该研究报道了第一个基于TENG的液流电池自驱动调节系统的原型（即嵌入式“感调一体”自驱动传感技术），这对未来扩展到用于中试的设备和大规模储能的分布式传感网络至关重要。

　　近日，中科院北京纳米能源与系统研究所及长沙理工大学开发了用于监测液流电池中电解质流速的嵌入式“感调一体”自驱动系统的原型。该原型可集成逻辑模块和控制模块来读取摩擦电传感器的脉冲信号，实现对电解液的流速进行智能监测和调节。该系统有望扩展到大规模储能的分布式传感网络中，液流电池储能发电站可以应对其他可再次生产的能源（风能、太阳能和热能等）的不稳定和间歇性。因此，基于该“感调一体”自驱动系统的储能新范式有前景逐步推动在工业中的重大应用。该成果以“Self-Powered Embedded-Sensory Adjustment for Flow Batteries”为题近日发表在期刊《Advanced Energy Materials》上，DOI: 10.1002/aenm.202300769。

　　图1 LM-TS在钒氧化还原电池（VRB）智能控制管理系统中应用和结构示意图。（a）VRB系统的示意图。（b）VRB系统中蠕动泵的示意图。（c）蠕动泵的工作原理图。（d）VRB系统的光学照片。（e）LM-TS结构的截面显微图。（f）LM薄膜表面形态的SEM图。（g）LM的高拉伸性和良好的导电性。

　　图2 LM-TS的工作原理和电学特性。（a）LM-TS在一个工作周期内的短路电荷分布。（b）通过COMSOL模拟的LM-TS的开路电位分布。（c，d）LM-TS的实时短路电荷量（QSC）和开路电压（VOC）信号。（e）电流和电压与外部负载的关系。（f) 不同负载下的瞬时功率。（g，h）LM-TS对电容器充电的电路图和充电性能。

　　图3 与蠕动泵相关的LM-TS的电学特性。（a）LM-TS 在泵的不同工作电压下的输出。（b-d）LM-TS 在不同工作电压下的 QSC、VOC 和ISC。（e，f）LM-TS 在不同工作电压下的响应时间。（g）LM-TS的长循环性能。

　　图4 不同电解液流速下 VRB 的性能。（a-c）VRB分别在50 mA·cm-2、80 mA·cm-2 和120 mA·cm-2 充放电电流下的能量效率。（d-f）VRB 在不同流速和充/放电电流密度下的能量效率、电压效率和库仑效率。（g-i）LM-TS 的流量与工作电压、频率与工作电压以及频率与流量的关系。

　　图5 嵌入式“感调一体”自驱动系统在监测和调节VRB中的应用。（a）智能系统的主要组成部分，包括VRB、LM-TS、逻辑判断模块和自调节模块。（b）自供电智能系统自动调整VRB的逻辑流程。（c，d）智能系统调整前后LM-TS的能量效率和相应的流量与能量效率关系。（e）风能、太阳能、热能和液流电池储能构成的混合发电站示意图。

　　该工作设计了一个基于LM-TS传感器的“感调一体”自驱动系统，用于液流电池流量的监测和智能调节。得益于高导电性和形状适应性的液态金属薄膜电极，LM-TS可以产生高强度和短响应时间（小于9.1毫秒）的信号而不影响液流电池的正常工作。此外，LM-TS传感器具有较高的耐用性，即使经过20000次以上的工作循环，其信号也没下降的趋势，这验证了其在长期使用方面的实用性。通过整合逻辑模块和控制模块， LM-TS自驱动传感器能用于智能调节系统，以保持VRB的最佳工作状态（在这项工作中保持流量在约45毫升/分钟）。自驱动 LM-TS 传感器在低频下的高灵敏度特性使其可以有明显效果地地响应液流电池中流量的变化，其卓越的优点（自供电、快速响应、易于制造、易于设计和良好的耐久性等）可逐步推动在工业中的重大应用。

　　随着摩擦电传感器的加快速度进行发展，该嵌入式“感调一体”自驱动系统能进一步扩展以实现更复杂的实时监测应用。具体地包含以下几个方面：

　　a.LM-TS传感器能构建在蠕动泵的多个转子上，依靠LM-TS产生的多维信号进一步提升监测的准确性。

　　b.除了放置在蠕动泵的橡胶管外，LM-TS还可放置在橡胶管内，通过旋转或别的机械接触分离方式来监测流量。

　　c.基于新兴的固-液接触起电效应，可以设计更复杂的摩擦电传感器也可以集成到电解液管道或电解槽中，以监测流量或电解液浓度/成分。

　　d.还可以将摩擦电传感器嵌入离子交换膜上以监测液流电池中的原位氧化还原反应。

　　基于 TENG 的自供电传感器能从周围环境中收集低频、高熵、无序和分布式的机械能，并直接利用电信号实现各种传感应用。通过成功地将 LM-TS 传感器嵌入液流电池以实现监测和智能调节功能，该工作展示了第一个“感调一体”自驱动系统原型，并有望实现分布式机械能采集与大规模储能的集成和协同，这对未来实现碳中和的目标具备极其重大意义。

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