新型有机流体电池：寿命显著提升！

导读

据美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院官网近日报道，该学院的研究人员们不仅搞清楚了流体电池的分子如何分解的，也弄明白了如何减轻甚至逆转分解。团队的“复苏法”将电池的性能衰退率至少降低至1/40，并使电池能够完全由低成本的化学物质构成。

背景

电动汽车与大部分的电子设备，例如智能手机与笔记本电脑，都是由锂离子电池供电的。

Nissan Leaf 汽车的锂离子电池组（图片来源：维基百科）

然而，随着人类对能源需求日益增长，以水能、风能、太阳能等为代表的可再生能源取得了极大的发展。但是由于可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控等特性，锂离子电池并不是存储由太阳能和风能转化而来的电力的最佳方案。

（图片来源：维基百科）

为了利用这些可再生能源，我们需要更加灵活、可扩展、比锂离子电池成本更低的方案。作为新一代储能技术，流体电池具有寿命长、规模大、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一。

（图片来源：哈佛大学）

流体电池是一种新型高效的电化学储能装置。电解质溶液存储在电池外部的电解液储罐中，电池内部正负极之间由离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室。电池工作时，正负极电解液由各自的送液泵强制通过各自反应室循环流动，参与电化学反应。

（图片来源：哈佛大学）

充电时电池外接电源，将电能转化为化学能，储存在电解质溶液中；放电时电池外接负载，将储存在电解质溶液中的化学能转化为电能，供负载使用。

（图片来源：Eliza Grinnell, SEAS Communications）

创新

经过在有机水系流体电池领域取得的数年进展之后，哈佛大学的研究人员遇到了一个问题：有机蒽醌分子驱动的具有开创性意义的电池，随着时间推移缓慢地分解，降低了电池的长期可用性。

近日，美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）材料与能源纳技术系教授迈克尔·阿齐兹（Michael Aziz）以及化学和材料科学系教授罗伊·戈登（Roy Gordon）领导的科研人员们，不仅搞清楚了分子如何分解的，也弄明白了如何减轻甚至逆转分解。

（图片来源：Michael Aziz/Harvard SEAS）

这个“挑战死亡”的分子，在论文中名为“DHAQ”，但是在实验却被戏称为“僵尸醌”。它是量产成本最低的分子之一。团队的“复苏法”将电池的性能衰退率至少降低至1/40，并使电池能够完全由低成本的化学物质构成。

这项研究发表在《美国化学学会杂志（Journal of the American Chemical Society）》上。

技术

阿齐兹表示：“流体电池如果要广泛地进入市场，量产成本低是非常重要的。所以，如果我们能采用这些技术延长DHAQ的寿命几十年，那么我们就在化学上取得了胜利。”

戈登表示：“这使我们在采用间歇性可再生电力取代矿石燃料的道路上迈出了一大步。”

2014年起，阿齐兹、戈登以及他们的团队一直在探索开发安全且划算的有机流体电池，用于存储来自风能、太阳能等间歇性可再生能源的电力，并且在没有风也没有太阳光照射的时候提供电力。

（图片来源：Eliza Grinnell, SEAS Communications）

他们的电池采用所谓的蒽醌类物质分子存储和释放能量，这些物质由大自然中丰富的元素，例如碳、氢、氧组成。

一开始，研究人员认为，分子的寿命取决于电池充放电的次数，就像在固态电极电池例如锂离子电池中一样。然而，在协调不一致的结果的过程中，研究人员发现这些蒽醌类物质随着时间缓慢地分解，不管电池使用的次数是多少。他们发现，分解的量基于分子的时龄，并不是基于它们充放电有多频繁。

这项发现引领研究人员去研究分子分解的机制。

戈登表示：“我们发现，这些蒽醌分子（在碳环中嵌入了两个氧原子）在充电时，会有失去其中一个氧原子的轻微倾向，从而变成一个不同的分子。一旦这种现象发生，它会开始一种连锁反应，导致能量存储材料发生不可挽回的损失。”

研究人员发现有两项技术可以避免那种连锁反应。第一项技术：让分子暴露于氧气中。团队发现，如果分子在充放电循环的恰当时间暴露于空气中，它会从空气中获得氧，并变回初始的蒽醌分子，好像死而复生一样。一个单独的实验通过这个方法恢复了丧失性能的70%。

第二项技术：团队发现对电池进行过充电会创造出加速分解的条件。避免过充电可以延长寿命40倍。

阿齐兹表示：“在未来的研究中，我们需要判断，如果我们正确地设计这些方案，这些方案组合起来可以延长电池的寿命多久。”

戈登表示：“这种分解和重生的机制很可能与所有的蒽醌类物质相关。对于流体电池来说，蒽醌类物质一直是被最高度认可、最有前景的有机分子。”

价值

美国能源部电力存储项目办公室主任伊姆雷·古柯（Imre Gyuk）表示：“这项重要的工作标志着研究低成本、长寿命的流体电池所取得的一项显著进展。为了让电网可以吸收绿色但却变化无常的可再生能源，我们需要这些设备。”

关键字

电池、可再生能源、分子

参考资料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2019/05/new-organic-flow-battery-brings-decomposing-molecules-back-to-life

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