電池已經(jīng)在為各種電子產(chǎn)品、小型應用工具甚至是各種汽車供電。甚至在不久的將來，更加清潔方便的電池便可以幫助維持整個電網(wǎng)運行。隨著風能和太陽能的興起，能源公司正在尋找能夠維持在太陽不發(fā)光和風退潮時保持電子流動的方法。首先進入科學家眼睛的巨型設(shè)備便是液流電池，這是一種使用能夠存儲足夠電力的電解槽，并且可以同時為數(shù)千個家庭供電數(shù)小時的能量存儲器。但是大多數(shù)液流電池依賴于釩，這是一種稀有且昂貴的金屬，并且這種金屬的替代品壽命短且有毒。

上周，研究人員報告說，他們正在研究的具有潛在廉價、長壽命和安全性的液流電池克服了許多上述缺點。這項工作是一系列研究工作的一部分，這些進步令人十分樂觀，新一代液流電池將很快成為大規(guī)模部署風能和太陽能的后盾。“現(xiàn)在這個領(lǐng)域取得了很多進展，”德國耶拿大學的化學家UlrichSchubert如是說道。

鋰離子電池，特別是應用于筆記本電腦和特斯拉的電池，在目前的電網(wǎng)規(guī)模應用中處于領(lǐng)先地位。鋰電池已經(jīng)在為醫(yī)院、辦公園區(qū)甚至城鎮(zhèn)提供備用電源。但位于康涅狄格州東哈特福德的聯(lián)合技術(shù)研究中心電化學能源系統(tǒng)副主任MichaelPerry表示，它們不能很好地擴展到能為城市提供備用電源所需的更大尺寸。

這就是液流電池的可用之處。它們將電荷儲存在液體電解質(zhì)的罐體中，液體電解質(zhì)泵送通過電極以提取電子，廢電解液返回罐體。當太陽能電池板或渦輪機提供電子時，泵將廢電解質(zhì)推回電極，電解質(zhì)在電極中再充電并返回到儲罐。按比例放大電池以儲存更多電力只需更大的電解槽。釩已經(jīng)成為一種流行的電解質(zhì)組分，因為這種金屬可以在數(shù)千次循環(huán)中可靠地充電和放電。例如，位于中國大連的榮科動力正在建造世界上最大的釩液流電池，該電池將于2020年正式上線。電池將儲存800兆瓦時的能量，足以為數(shù)千個家庭供電。市場研究公司MarketsandMarkets表示，由釩電池和鋅溴(另一種品種)引領(lǐng)的液流電池市場將有可能在未來5年內(nèi)每年增長近10億美元。

但近年來釩金屬價格持續(xù)上漲，專家們擔心，如果釩需求猛增，價格也將會上漲。猶他州立大學的流動電池專家劉天彪(音)說道：“一種主要的替代方案是用有機化合物代替釩，這些有機分子可以被精確定制，以滿足設(shè)計師的需求。”但有機物往往會降解并在幾個月后需要更換，有些化合物只能使用強力的酸性或堿性電解質(zhì)，這些電解質(zhì)可能會損壞泵體，并且有可能會導致罐體泄露，這是非常危險的。

Schubert說，研究人員現(xiàn)在處于有機液流電池的“第二波進展研究”之中。7月，由哈佛大學材料科學家MichaelAziz領(lǐng)導的一個小組在Joule雜志上報道了他們研究開發(fā)的一種長壽命的有機分子，每年僅損失3%的電荷承載能力。劉說，雖然這仍然不夠穩(wěn)定，但與之前的有機液流電池相比，損失量已經(jīng)非常之低了。

廉價且高效的鐵離子是另一種有前途的替代品。例如，俄勒岡州波特蘭的一家名為EES的公司正在銷售這種電池。但EES的電池需要在pH值為1到4之間電解質(zhì)里運行。

現(xiàn)在，劉和他的同事們提出了一種在中性pH下運行的液流電池。他們從過去研究過的含鐵電解質(zhì)亞鐵氰化物開始。但是在先前的亞鐵氰化物電池中，電解質(zhì)溶解在含有鈉鹽或鉀鹽的水中，其提供帶正電的離子，其在電池中移動以平衡充電和放電期間的電子運動。亞鐵氰化物在這些鹽溶液中不易溶解，這大大限制了電池的電化學存儲容量。

因此，劉和他的同事們用一種名為銨的氮基化合物取代了這種鹽，這種化合物至少可以使亞鐵氰化物溶解量提高兩倍，從而使電池容量翻倍。得到的電池不像釩液流電池那樣能量密集。但在上周的Joule雜志中，劉和他的同事們報告說，他們的鐵基有機液流電池在1000次充放電循環(huán)后沒有出現(xiàn)衰退的跡象，相當于能夠穩(wěn)定運行3年。并且因為電解質(zhì)是水基的，泄漏也可能不會產(chǎn)生環(huán)境損害。

“總的來說，這是一項出色的工作，”新加坡國立大學材料科學家王慶(音)評價道。同時他也警告說，這種電池的充放電都很遲鈍。劉和他的同事正在計劃測試其他電解質(zhì)添加劑，以提高電導率。

現(xiàn)在說哪種液流電池電化學體系可以支持未來的可再生電網(wǎng)還為時過早。另一個競爭者使用由含金屬的有機化合物制成的電解質(zhì)，這種電解質(zhì)被稱為多金屬氧酸鹽，其在相同的體積中儲存的能量遠遠超過競爭對手。例如，在10月10日出版的NatureChemistry雜志上，由英國格拉斯哥大學的化學家LeroyCronin領(lǐng)導的研究人員報告了一種多金屬氧酸鹽液流電池，其儲存電荷能力比同樣的釩電池高40倍。Cronin表示，目前的缺點是這些電解質(zhì)具有高度粘性，因此泵送電池更具挑戰(zhàn)性。“今天，仍沒有一個液流電池能夠滿足所有需求，這意味著液流電池方面仍有充足的開發(fā)研究空間。”Schubert說。