電動(dòng)汽車與大部分的電子設(shè)備，例如智能手機(jī)與筆記本電腦，都是由鋰離子電池供電的。

然而，隨著人類對(duì)能源需求日益增長(zhǎng)，以水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等為代表的可再生能源取得了極大的發(fā)展。但是由于可再生能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控等特性，鋰離子電池并不是存儲(chǔ)由太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的電力的最佳方案。

為了利用這些可再生能源，我們需要更加靈活、可擴(kuò)展、比鋰離子電池成本更低的方案。作為新一代儲(chǔ)能技術(shù)，流體電池具有壽命長(zhǎng)、規(guī)模大、安全可靠等突出優(yōu)勢(shì)，成為規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。

流體電池是一種新型高效的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。電解質(zhì)溶液存儲(chǔ)在電池外部的電解液儲(chǔ)罐中，電池內(nèi)部正負(fù)極之間由離子交換膜分隔成彼此相互獨(dú)立的兩室。電池工作時(shí)，正負(fù)極電解液由各自的送液泵強(qiáng)制通過(guò)各自反應(yīng)室循環(huán)流動(dòng)，參與電化學(xué)反應(yīng)。

充電時(shí)電池外接電源，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中；放電時(shí)電池外接負(fù)載，將儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供負(fù)載使用。

創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)在有機(jī)水系流體電池領(lǐng)域取得的數(shù)年進(jìn)展之后，哈佛大學(xué)的研究人員遇到了一個(gè)問(wèn)題：有機(jī)蒽醌分子驅(qū)動(dòng)的具有開創(chuàng)性意義的電池，隨著時(shí)間推移緩慢地分解，降低了電池的長(zhǎng)期可用性。

近日，美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）材料與能源納技術(shù)系教授邁克爾·阿齊茲（MichaelAziz）以及化學(xué)和材料科學(xué)系教授羅伊·戈登（RoyGordon）領(lǐng)導(dǎo)的科研人員們，不僅搞清楚了分子如何分解的，也弄明白了如何減輕甚至逆轉(zhuǎn)分解。

這個(gè)“挑戰(zhàn)死亡”的分子，在論文中名為“DHAQ”，但是在實(shí)驗(yàn)卻被戲稱為“僵尸醌”。它是量產(chǎn)成本最低的分子之一。團(tuán)隊(duì)的“復(fù)蘇法”將電池的性能衰退率至少降低至1/40，并使電池能夠完全由低成本的化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志（JournaloftheAmericanChemicalSociety）》上。

技術(shù)

阿齊茲表示：“流體電池如果要廣泛地進(jìn)入市場(chǎng)，量產(chǎn)成本低是非常重要的。所以，如果我們能采用這些技術(shù)延長(zhǎng)DHAQ的壽命幾十年，那么我們就在化學(xué)上取得了勝利。”

戈登表示：“這使我們?cè)诓捎瞄g歇性可再生電力取代礦石燃料的道路上邁出了一大步。”

2014年起，阿齊茲、戈登以及他們的團(tuán)隊(duì)一直在探索開發(fā)安全且劃算的有機(jī)流體電池，用于存儲(chǔ)來(lái)自風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性可再生能源的電力，并且在沒(méi)有風(fēng)也沒(méi)有太陽(yáng)光照射的時(shí)候提供電力。

他們的電池采用所謂的蒽醌類物質(zhì)分子存儲(chǔ)和釋放能量，這些物質(zhì)由大自然中豐富的元素，例如碳、氫、氧組成。

一開始，研究人員認(rèn)為，分子的壽命取決于電池充放電的次數(shù)，就像在固態(tài)電極電池例如鋰離子電池中一樣。然而，在協(xié)調(diào)不一致的結(jié)果的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)這些蒽醌類物質(zhì)隨著時(shí)間緩慢地分解，不管電池使用的次數(shù)是多少。他們發(fā)現(xiàn)，分解的量基于分子的時(shí)齡，并不是基于它們充放電有多頻繁。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)研究人員去研究分子分解的機(jī)制。

戈登表示：“我們發(fā)現(xiàn)，這些蒽醌分子（在碳環(huán)中嵌入了兩個(gè)氧原子）在充電時(shí)，會(huì)有失去其中一個(gè)氧原子的輕微傾向，從而變成一個(gè)不同的分子。一旦這種現(xiàn)象發(fā)生，它會(huì)開始一種連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致能量存儲(chǔ)材料發(fā)生不可挽回的損失。”

研究人員發(fā)現(xiàn)有兩項(xiàng)技術(shù)可以避免那種連鎖反應(yīng)。第一項(xiàng)技術(shù)：讓分子暴露于氧氣中。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果分子在充放電循環(huán)的恰當(dāng)時(shí)間暴露于空氣中，它會(huì)從空氣中獲得氧，并變回初始的蒽醌分子，好像死而復(fù)生一樣。一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)通過(guò)這個(gè)方法恢復(fù)了喪失性能的70%。

第二項(xiàng)技術(shù)：團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行過(guò)充電會(huì)創(chuàng)造出加速分解的條件。避免過(guò)充電可以延長(zhǎng)壽命40倍。

阿齊茲表示：“在未來(lái)的研究中，我們需要判斷，如果我們正確地設(shè)計(jì)這些方案，這些方案組合起來(lái)可以延長(zhǎng)電池的壽命多久。”

戈登表示：“這種分解和重生的機(jī)制很可能與所有的蒽醌類物質(zhì)相關(guān)。對(duì)于流體電池來(lái)說(shuō)，蒽醌類物質(zhì)一直是被最高度認(rèn)可、最有前景的有機(jī)分子。”

價(jià)值

美國(guó)能源部電力存儲(chǔ)項(xiàng)目辦公室主任伊姆雷·古柯（ImreGyuk）表示：“這項(xiàng)重要的工作標(biāo)志著研究低成本、長(zhǎng)壽命的流體電池所取得的一項(xiàng)顯著進(jìn)展。為了讓電網(wǎng)可以吸收綠色但卻變化無(wú)常的可再生能源，我們需要這些設(shè)備。”