近日，哈佛大學約翰·鮑爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員開發了一種新型液流電池（flow battery）。在這種電池中，能量將被儲存在一種新型水溶性有機分子中。這一新的化學物質使得生產無毒且無腐蝕性的電池不再是傳說。與此同時，這種電池還擁有極長的使用壽命，并具有大幅降低生產成本的潛力。
這項研究由哈佛大學材料與能源技術Gene& Tracy Sykes 講席教授邁克爾·阿齊茲（Michael Aziz），以及化學與材料科學系Thomas Dudley Cabot講席教授羅伊·戈登（Roy Gordon）共同領導的。研究的相關論文已發表于《ACS 能源快報》（ACS Energy Letters）上。
液流電池能夠將我們所需的能量存儲于液體溶液中，這就意味著，儲料罐的容積越大，電池能夠存儲的能量就越多。由于理論上具有無限的使用壽命，液流電池是一項前景十分光明的技術，目前的一大應用方向就是作為可再生、間歇性能源（如風和太陽能）的儲能設備（為了保證無法發電時的能源供給）。
然而目前所有的液流電池仍然同其他電池一樣，在經歷了多次的充放電循環后，能量存儲能力會日益衰退。因此，為了維持液流電池的儲能水平，使用者們必須對電解質溶液進行定期維護。
如今，這支來自哈佛的研究團隊，設計出了一款每1000次充放電循環，僅損失其容量的百分之一的液流電池。他們對正負電介質溶液中的分子進行了改性，不但實現了這些分子的水溶性，還達到了一些意想不到的效果。
阿齊茲說，“鋰離子電池在經過1000次完全充放電的循環前，可能就已經損壞了?！?/p>
戈登表示，由于電解質是水溶性的，電池的安全性將大幅提高，你甚至可以將這一款長效電池直接放置在自家的地下室里。因為即使電解液溢出到了地板上，它也不會腐蝕混凝土。此外，正是由于電解質完全無腐蝕性，構建電池的組件，如儲料罐和泵等，就可以使用更加便宜的材質，這也將大幅降低電池的生產成本。
成本是所有能源技術的關鍵。美國能源部（DOE）已經設定了一個新目標，即將儲能電池的成本降低到每千瓦時<100美元。這一目標一旦實現，將大幅降低風能和太陽能的成本。進而增加可再生能源相較于傳統發電廠的競爭力。
阿齊茲說，“如果能夠接近這個目標成本，我們就能夠改變世界了。而如果能把電池建造在這么多地方，又將進一步擴大電池的成本優勢。這項研究使得我們離實現這一目標更進了一步?！?/p>
美國能源部電力辦公室能源存儲研究主管伊姆雷·杰克（Imre Gyuk）說：“這項關于水溶性有機電解質的項目對于指導未來電池的研究方向具有重要意義。這一電池不僅提高了循環壽命，還大大降低了成本。我預計：高效，持久的液流電池最終將成為電網基礎設施的一部分。”
哈佛大學的博士后研究員，同時也是這篇論文的第一作者尤金·貝赫（Eugene Beh）說：“設計電池的關鍵在于找出之前電池中電解質在中性溶液中快速降解的原因。貝赫首先研究了負電解質中的紫羅堿（viologen）的分解機理，隨后對其分子結構進行有效改造，從而提升了其抗分解能力?！?/p>
與此同時，研究團隊將目光轉向了二茂鐵（環戊二烯基鐵）這種具有出眾電化學性質的分子，并將其用于正電解質中。
“二茂鐵非常適合儲存電荷，但完全不溶于水，”貝赫說，“在其他的電池研究中，這一材料常常用于一些易燃且昂貴有機溶劑之中?！?/p>
研究團隊隨后也對二茂鐵分子進行了改造。功夫不負有心人，他們最終使得這種原本不溶于水的分子，變成了一種可以穩定循環，而且高度可溶的分子。
阿齊茲說，“水溶性二茂鐵代表了一種可用于液流電池的全新分子?！?/p>
除此之外，pH中性的電解液還特別有助于降低（用于分隔電解液的離子選擇性滲透膜的）成本。為了能夠承受電解液的腐蝕性，目前市場上液流電池所使用的離子膜大多為價格高昂的高分子聚合物。這些聚合物的成本，占到了設備總成本的三分之一。而哈佛團隊研發的新型液流電池，由于電解液的主體為鹽水，因此可以使用價格低廉的碳氫化合物來制作離子膜。
這一研究得到了美國能源部電力交付和能源可靠性機構及美國能源部高級研究計劃署能源部的支持。
在哈佛的技術開發辦公室（OTD）的幫助下，研究人員正在與幾家公司合作，對離子選擇膜與電解質之間的相互作用進行優化，同時將電池的尺寸與規模擴大，以確保能最終投入工業應用。哈佛OTD已經提交了一系列關于液流電池技術創新的專利申請。
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來源：搜狐科技。編輯：九雅
