《哈佛研发长寿有机液流电池,材料年衰退率低于 3%》

  • 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: 姜山
  • 发布时间:2018-08-14
  • 液流电池可以储存大量电力,有望在绿能储能技术派上用场,而近日美国哈佛大学团队更成功改良有机化合物醌(quinones),打造出更高效与长寿的有机液流电池,缩短该设备与商业化门坎的距离。

    太阳能与风能为当今备受欢迎的绿色能源,但这些技术皆为变动型能源,若不想要电力供过于求或是供电不稳,得找出有效且可大规模储存电力的方式。其中锂离子电池虽然为储能技术龙头,不过大范围建置锂离子电池储能电厂将是一笔不菲的开销,厂商也需要定期更换电池。

    液流电池或许会成为再生能源储能明日之星。该系统运作模式是将电子储存在外部两侧的液态电解质槽,充放电时电解质会被帮补到中间的发电室,而发电室也会以薄膜隔开两种溶液、形成两个电极,最后产生离子交换来发电。

    该电池可以透过改变电解质与薄膜尺寸来调整电池容量与电输出,且由于电池两侧电解质是分开存放,相互渗漏与自身放电的机率都很低,因此安全性高、能量也可以长久储存,非常适合制作成大型储能系统,只不过该设备目前的能量密度不高,还需要进一步突破才能抵达商业化阶段。

    以往的液流电池也都是由溶于酸的钒和溴电解质组成,这些化学品不仅成本高昂,也具有腐蚀性,因此不少科学家将目光从钒转向有机化合物醌类。该分子在自然界分布相当广泛,常见于光合作用与细胞呼吸中,可为动植物储存能量。

    哈佛大学则致力于研发有机液流电池,2014 年以来已尝试 1 万种醌类,并测验过多种材料,像是用亚铁氰化物取代溴、将酸性电解质转换为碱性混合物、用改良维生素 B2 当作醌,2017 年更是调配出中性电解质配方,只是这些研究付出仍无法让有机液流电池跨越商业门坎。

    不过目前似乎又有一线曙光,现在哈佛大学团队已改造一种醌类,成功制造出寿命与效能兼具的有机液流电池设备。为表达材料的稳定性与长寿特质,研究员还以《圣经》中寿命最长的人来为材料命名、称之为“玛士撒拉(Methuselah)分子”。

    哈佛材料科学教授 Michael Aziz 表示,以前团队也有制造出长寿的液流电池,但是那些化学物质可承受电压较低,导致分子无法储存过多能量。而现在已找出稳定性高、输入电压也可超过 1 伏特的材料,有望成为符合商业化与技术标准的设备。

    该材料的稳定性相当高,研究测试指出,玛士撒拉分子每日衰退率(fade rate)低于 0.01%,充放电循环衰退率也不到 0.001%,这些数据代表着分子的年衰退率有望低于 3%,在这期间有机液流电池可以充放电好几万次。

    且玛士撒拉分子也具有可溶性、容易溶解在弱碱性电解质中,如此一来不仅可以提高电池能量密度,薄膜与电解槽也不需要优异的耐腐蚀特性,能降低材料的总成本。美国能源部储能研究主任 Imre Gyuk 则表示,这项研究让液流电池朝低成本与长寿迈进,而目前我们也相当需要这类型的设备,这样才可以吸收大量的间歇型绿能电力。

    研究已表在《Joule》。

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    • 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。
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    • 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
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