新型有機流體電池：壽命顯著提升！

導讀

據美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院官網近日報道，該學院的研究人員們不僅搞清楚了流體電池的分子如何分解的，也弄明白了如何減輕甚至逆轉分解。團隊的「復甦法」將電池的性能衰退率至少降低至1/40，並使電池能夠完全由低成本的化學物質構成。

背景

電動汽車與大部分的電子設備，例如智能手機與筆記本電腦，都是由鋰離子電池供電的。

Nissan Leaf 汽車的鋰離子電池組（圖片來源：維基百科）

然而，隨著人類對能源需求日益增長，以水能、風能、太陽能等為代表的可再生能源取得了極大的發展。但是由於可再生能源發電具有不連續、不穩定、不可控等特性，鋰離子電池並不是存儲由太陽能和風能轉化而來的電力的最佳方案。

（圖片來源：維基百科）

為了利用這些可再生能源，我們需要更加靈活、可擴展、比鋰離子電池成本更低的方案。作為新一代儲能技術，流體電池具有壽命長、規模大、安全可靠等突出優勢，成為規模儲能的首選技術之一。

（圖片來源：哈佛大學）

流體電池是一種新型高效的電化學儲能裝置。電解質溶液存儲在電池外部的電解液儲罐中，電池內部正負極之間由離子交換膜分隔成彼此相互獨立的兩室。電池工作時，正負極電解液由各自的送液泵強制通過各自反應室循環流動，參與電化學反應。

（圖片來源：哈佛大學）

充電時電池外接電源，將電能轉化為化學能，儲存在電解質溶液中；放電時電池外接負載，將儲存在電解質溶液中的化學能轉化為電能，供負載使用。

（圖片來源：Eliza Grinnell, SEAS Communications）

創新

經過在有機水系流體電池領域取得的數年進展之後，哈佛大學的研究人員遇到了一個問題：有機蒽醌分子驅動的具有開創性意義的電池，隨著時間推移緩慢地分解，降低了電池的長期可用性。

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）材料與能源納技術系教授邁克爾·阿齊茲（Michael Aziz）以及化學和材料科學系教授羅伊·戈登（Roy Gordon）領導的科研人員們，不僅搞清楚了分子如何分解的，也弄明白了如何減輕甚至逆轉分解。

（圖片來源：Michael Aziz/Harvard SEAS）

這個「挑戰死亡」的分子，在論文中名為「DHAQ」，但是在實驗卻被戲稱為「殭屍醌」。它是量產成本最低的分子之一。團隊的「復甦法」將電池的性能衰退率至少降低至1/40，並使電池能夠完全由低成本的化學物質構成。

這項研究發表在《美國化學學會雜誌（Journal of the American Chemical Society）》上。

技術

阿齊茲表示：「流體電池如果要廣泛地進入市場，量產成本低是非常重要的。所以，如果我們能採用這些技術延長DHAQ的壽命幾十年，那麼我們就在化學上取得了勝利。」

戈登表示：「這使我們在採用間歇性可再生電力取代礦石燃料的道路上邁出了一大步。」

2014年起，阿齊茲、戈登以及他們的團隊一直在探索開發安全且划算的有機流體電池，用於存儲來自風能、太陽能等間歇性可再生能源的電力，並且在沒有風也沒有太陽光照射的時候提供電力。

（圖片來源：Eliza Grinnell, SEAS Communications）

他們的電池採用所謂的蒽醌類物質分子存儲和釋放能量，這些物質由大自然中豐富的元素，例如碳、氫、氧組成。

一開始，研究人員認為，分子的壽命取決於電池充放電的次數，就像在固態電極電池例如鋰離子電池中一樣。然而，在協調不一致的結果的過程中，研究人員發現這些蒽醌類物質隨著時間緩慢地分解，不管電池使用的次數是多少。他們發現，分解的量基於分子的時齡，並不是基於它們充放電有多頻繁。

這項發現引領研究人員去研究分子分解的機制。

戈登表示：「我們發現，這些蒽醌分子（在碳環中嵌入了兩個氧原子）在充電時，會有失去其中一個氧原子的輕微傾向，從而變成一個不同的分子。一旦這種現象發生，它會開始一種連鎖反應，導致能量存儲材料發生不可挽回的損失。」

研究人員發現有兩項技術可以避免那種連鎖反應。第一項技術：讓分子暴露於氧氣中。團隊發現，如果分子在充放電循環的恰當時間暴露於空氣中，它會從空氣中獲得氧，並變回初始的蒽醌分子，好像死而復生一樣。一個單獨的實驗通過這個方法恢復了喪失性能的70%。

第二項技術：團隊發現對電池進行過充電會創造出加速分解的條件。避免過充電可以延長壽命40倍。

阿齊茲表示：「在未來的研究中，我們需要判斷，如果我們正確地設計這些方案，這些方案組合起來可以延長電池的壽命多久。」

戈登表示：「這種分解和重生的機制很可能與所有的蒽醌類物質相關。對於流體電池來說，蒽醌類物質一直是被最高度認可、最有前景的有機分子。」

價值

美國能源部電力存儲項目辦公室主任伊姆雷·古柯（Imre Gyuk）表示：「這項重要的工作標誌著研究低成本、長壽命的流體電池所取得的一項顯著進展。為了讓電網可以吸收綠色但卻變化無常的可再生能源，我們需要這些設備。」

關鍵字

電池、可再生能源、分子

參考資料

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！