《哈佛大学在高性能有机液流电池方面取得重大突破》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-07-26
  • 为了在未来延续人类文明,人类必须利用清洁能源来取代目前污染我们大气的化石燃料。太阳能和风能可以提供所有必要的能源。因而,为防止无光和无风的情况,存储能量是非常必要的。

    有机液流电池是一种安全且便宜,并可作为锂离子电池和钒液流电池大规模循环储能商用设备的替代品。

    目前,哈佛大学的研究人员已经验证了一种新的有机分子,它的寿命超过之前所有的物质,创造了迄今为止最持久的高性能有机液流电池。绰号“Methuselah”,这是一种寿命最长的“圣经般的物质”,这个分子可以在多年的时间里进行成千上万次有效能量的储存和释放。

    该研究成果发表在Joule杂志上。这项研究由哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)化学与材料科学教授Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot,材料及能源技术学教授Michael Aziz, Gene 及 Tracy Sykes共同领导。

    “我们设计并制造了一种新的有机化合物,可以储存电能,并且在分解之前具有很长的使用寿命,”Gordon说。“我们发现了以往液流电池中分子的降解过程。依此,我们创造了新的,更稳定的分子来避免以往存在的问题。”

    “在之前的工作中,我们已经验证了一种具有长寿命但低电压的化学物质,低电压会导致分子能量储存量低,最终导致定量能量存储成本高,”Aziz说。“现在,我们拥有了第一种持续稳定且电压超过1V的化学物质,这些通常被认为是商业部署的门槛。我相信这是第一个基于有机物质并符合所有技术标准的流体电池。”

    这种新的化学物质是由Aziz and Gordon领导发现的先进研究成果。Methuselah分子是一种改良的醌,是一种丰富的,天然存在的分子,与光合作用和细胞呼吸等生物过程不可分割。他们的研究团队与理论化学教授AlánAspuru-Guzik合作,描述了流动电池中醌分子的降解过程,并进行了修改以延长其工作寿命。

    实验中,Methuselah分子的每天衰减率低于0.01%,每次充电/放电循环低于0.001%——以此推断在一年的时间内衰减不到3%——并且进行了成千上万个有效的工作循环。

    Methuselah也被证明是高度可溶的,这意味着它可以在更小的空间中储存更多的能量。它可在弱碱性电解质中工作,并通过使用廉价的密封材料和廉价的聚合物膜来分离正极和负极,从而降低了电池的成本。

    所有这些进步都降低了存储成本,并且使用有机化学物质,对长时间放电具有成本效益。

    SEAS的博士后研究员,该论文的共同第一作者David Kwabi说。“这项研究证明了有机物的潜力,我们也证明了有机分子可以是昂贵钒电池的可行、持久且经济的替代品。”

    该研究得到了美国能源部电力储能计划、高级研究计划局能源、丹麦创新基金、马萨诸塞州清洁能源技术中心以及哈佛工程与应用科学学院的支持。

    美国能源部电力储存办公室主任ImreGyuk表示:“这项重要工作代表了低成本,长工作时间的流体电池的重大进步,电网需要这样的设备来吸收越来越多的绿色但易变的可再生发电能源。”

    在哈佛大学技术开发办公室(OTD)的协助下,研究人员正在寻求商业合作伙伴来扩大工业应用技术。哈佛OTD已经提交了一系列关于液流电池技术创新的待批专利。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=228278
相关报告
  • 《“无质量”碳纤维电池取得重大突破》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-03-26
    • 从电动汽车到无人机,电池在能量密度和自身重量上一直难以得到很好的平衡。不过查尔默斯理工大学的科学家们,一直在探索这些常规储能解决方案的有趣替代。比如近日,研究团队就宣称在“无质量”碳纤维电池项目上取得了重大突破,特点是可以兼作车辆的电池和结构部件。 结构插图(来自:Yen Strandqvist / Chalmers.se) 经过多年的努力,查尔默斯理工大学的研究团队终于实现了这一设想。通过让电池兼作结构部件,以减轻整车的设计重量。 之所以选择碳纤维在其中扮演重要角色,归因于众所周知的机械性能、以及通过正确的方式进行工程设计时可充当电极材料的能力。 2018 年的时候,科学家们发表了一项研究,描述了一种具有特殊晶体排列的碳纤维。它既可以提供车辆构造所需的刚度,又可以提供能量存储所需的电化学性能。 作为将这项研究专为实际应用的努力的一部分,科学家们现已生产出一种碳纤维结构电池,具有较以往任何版本都优秀 10 倍的性能。 Johanna Xu 博士向 Leif Asp 展示新型电池(图自:Marcus Folino) 据悉,该电池由碳纤维制成的负极、以及磷酸锂铁涂覆铝箔制成正极组成,两者被用作结构电解质基质的玻璃纤维织物隔开。 它既可以像常规电池一样在电极之间传输锂离子,又有助于将机械负载分散到结构的不同部分。基于此,研究人员将之称作“无质量”的储能设备。 从理论上来说,它确实可以摆脱传统电池的部分缺点 —— 不给车辆增加任何“额外”的重量。 然而实际应用方面,还是有一些难以避免的妥协。比如这种新型电池的能量密度仅为 24 Wh/kg,约为当前锂离子电池的 20% 。材料刚度 25 GPa,可与其它常用材料相媲美。 另一方面,如果用这种电池取代经典的锂离子电池、并将之集成到电动汽车中,则整车重量有望极大地减轻。如此一来,只需消耗更少的能量,便可驱动电动汽车的行进。 项目负责人 Leif Asp 表示:先前制造的结构电池,通常只侧重于良好的机械性能、或出色的电气性能。不过他们使用碳纤维成功地设计了兼具结构刚性和储能优势的新型电池。 在性能提升 10 倍后,研究团队开始将精力放到其它新目标上,比如计划使用碳纤维代替正极中的铝材料,以进一步提升能量和机械性能。此外用更薄的材料取代玻璃纤维织物,以实现更快的充电。 研究配图 - 1:结构电池复合材料的制造 Leif Asp 预计,此类电池有望达成 75 Wh/kg 的能量密度和 75 GPa 的刚度(与铝材相当),但重量却要轻得多。从电动汽车到消费电子产品,未来的潜力更是不可估量。 有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《先进能源与可持续性研究》期刊上,原标题为《A Structural Battery and its Multifunctional Performance》。
  • 《突破 | 北京理工大学在高效率铸态有机太阳能电池的研究中取得重要进展》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:胡思思
    • 发布时间:2024-09-23
    • 溶液处理有机太阳能电池(OSCs)是一种有潜力的绿色光电转化技术,其在光伏建筑一体化,柔性可穿戴设备领域展现出巨大的应用潜力。器件效率、稳定性和成本是有机光伏商业应用的三个最关键的因素,而在成本方面的研究相对落后于前两者。从材料角度来看,简化分子结构,合成步骤与提纯过程是降低器件成本的有效策略。在器件制备方面,铸态OSCs即活性层不进行任何工艺优化,其无疑是降低成本最有效的方案。然而,从分子设计的角度构筑高效率铸态器件还鲜有报道。在这项工作中,该团队通过逐个增加吡咯单元上亚甲基碳的个数,设计和合成了五个A-DAD-A型小分子(A1-A5)受体材料,以此为基础研究具有不同链长度的小分子受体与铸态器件之间的构效关系。 随着烷基链的延长,薄膜的吸收光谱从A1到A5逐渐发生蓝移,同时最低未占据分子轨道(LUMO能级)也略微上移。 随着LUMO能级的略微上移,有利于实现器件的短路电流密度和开路电压之间的平衡。此外,较长的烷基链还能提高受体和给体之间的相容性。通过原位紫外-可见吸收光谱(图2)结果分析表明,良好的相容性将会延长分子自组装时间,并有助于给体相的优先形成,进而受体沉淀在由给体形成的框架中。相应的成膜过程有助于形成具有合适纤维结构、分子堆叠和垂直相分离的薄膜形貌,从而提高填充因子。因此,基于D18:A3的铸态器件实现了18.29%的最高效率。在该工作中,该团队从分子设计角度,提出了一种构筑高效率铸态器件的有效策略,并明晰了材料结构-成膜过程-器件性能之间的关系,有助于推动有机光伏领域的产业化发展。 图1. (a) A1-A5的化学结构。(b) D18和A1-A5的归一化薄膜吸收光谱。(c) A1-A5在室温下在氯仿中的溶解度。(d) D18和A1-A5的能级。(e) A1-A5纯薄膜在IP和OOP方向上的线切割轮廓。(f) D18和受体的分子间作用力。(g) D18与不同分子之间的堆积模型 图2.A1-3的原位紫外-可见吸收光谱、一维吸收光谱曲线和最大吸收峰位随时间变化曲线