冯Ruozhu形象
PNNL的科学家Ruozhu Feng创造了一系列的分子工程步骤来培养芴酮的携能能力。(由Andrea Starr拍摄,太平洋西北国家实验室)

美国能源部西北太平洋国家实验室(Richland, WA)的科学家已经证明,低成本的有机化合物有希望储存能量。普通芴酮是一种亮黄色粉末,已被证明是水氧化还原流电池的有效材料,可为电网提供能量存储。

开发这样的存储系统至关重要。例如,当电网因恶劣天气而下线时,正在开发的大型电池将发挥作用,提高电网的弹性并将中断降至最低。这些电池还可以用来储存来自风能和太阳能的可再生能源,以便在没有风或没有阳光的时候使用。

“液流电池技术是能源部未来十年降低电网储能成本目标的关键组成部分,”能源部电力办公室储能主任Imre Gyuk说。“进展很快,成本也显著下降,但要使电网规模的储能广泛使用,还需要进一步研究。”

科学家们在创造更好的电池方面取得了巨大的进步——比以往任何时候都能以更低的成本储存更多的能量,持续的时间更长。这些成果涉及到我们生活的许多方面,包括更有弹性的电网、更持久的笔记本电脑电池、更多的电动汽车,以及更多地利用风力、阳光或流水等可再生能源。

对于电网级电池来说,找到合适的材料并将它们结合起来,创造一种新的能量存储配方,是世界驾驭和存储可再生能源能力的关键一步。最广泛使用的电网级电池使用的是锂离子技术,但这些电池很难时刻以对电网最有用的方式定制,而且还有安全问题。氧化还原液流电池是一种日益增长的替代品;然而,大多数使用钒,这是昂贵的,不容易获得,容易价格波动。这些特性阻碍了它们用于广泛的电网规模的能源存储。

液流电池的替代材料包括有机分子,它比钒更容易获得,更环保,也更便宜。但是有机物并不能很好地满足液流电池技术的要求,它的消失速度通常比要求的要快。分子的长期稳定性是很重要的,因此它们可以保持多年的化学反应能力。

“这些有机材料是由最常见的材料制成的——碳、氢和氧,”PNNL的科学家王伟(音)说,他领导了流电池团队。“它们很容易获得;它们不像钒那样需要开采。这使得它们在电网规模的能源存储方面非常有吸引力。”然而,王的团队证明,低成本的有机芴酮不仅是一个可行的候选材料,而且在能源储存方面表现出色。在模拟真实环境的实验室测试中,PNNL电池连续运行120天,直到与电池本身无关的其他设备耗尽时才结束。电池经过了1111个完整的充放电周期——相当于正常情况下几年的运行周期——并损失了不到3%的能量容量。其他有机液流电池的运行时间要短得多。

该团队创造的液流电池只有10平方厘米,大约是一张大邮票的大小,输出大约500毫瓦的能量,甚至还不够为一个手机摄像头提供能量。但这种微小的结构体现了巨大的前景:它的能量密度是目前使用的钒电池的两倍多,而且它的化学成分便宜、持久,而且可以广泛使用。

芴酮还被用于太阳能电池板、药物(如治疗疟疾的药物)和蜡烛中,使它们散发出宜人的香味。它是煤焦油和苯甲酸(一种常见的食品添加剂)生产的废料,价格低廉,很容易获得。

研究人员将注意力集中在芴酮作为水基液流电池的核心,但存在障碍。首先,分子的水溶性不够强。这个分子在水溶液中没有表现出氧化还原可逆性;也就是说,科学家们还没有证明它能够同时容易地接收和提供电子,这是流体电池的两个互补和强制步骤。

然而,他们创造了一系列复杂的化学步骤——他们称之为“分子工程”——将芴酮转化为氧化还原可逆的水溶性化合物。长期以来,芴酮在这个过程中很容易获得一个电子,这一过程被称为还原。但是,要实现这一过程的另一半——氧化,即失去一个电子——需要不懈的努力,才能使这一过程可逆并适合于能量存储。

出乎意料的是,他们发现芴酮进行可逆反应的能力取决于它的浓度——更多的物质溶解在水中使得可逆性成为可能。科学家以前从未在有机分子中看到过这种现象。

研究小组还增加了芴酮在水中的溶解度,从原始的几乎为0到1.5摩尔每升,这取决于化合物的修改。在水基流动电池中的溶解度是至关重要的;这种材料在水中溶解的越多,它在电池核心的电子交换中作为化学伙伴的可能性就越大。

PNNL正在鼓励基于芴酮的氧化还原水流动电池的商业化,作为第一步,已经就这项创新申请了专利。