電動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，隨著人類對能源需求日益增長，以水能、風(fēng)能、太陽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由太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來的電力的最佳方案。

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。作為新一代儲能技術(shù)，流體電池具有壽命長、規(guī)模大、安全可靠等突出優(yōu)勢，成為規(guī)模儲能的首選技術(shù)之一。

流體電池是一種新型高效的電化學(xué)儲能裝置。電解質(zhì)溶液存儲在電池外部的電解液儲罐中，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，正負(fù)極電解液由各自的送液泵強(qiáng)制通過各自反應(yīng)室循環(huán)流動，參與電化學(xué)反應(yīng)。

充電時電池外接電源，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲存在電解質(zhì)溶液中；放電時電池外接負(fù)載，將儲存在電解質(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問題：有機(jī)蒽醌分子驅(qū)動的具有開創(chuàng)性意義的電池，隨著時間推移緩慢地分解，降低了電池的長期可用性。

近日，美國哈佛大學(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“挑戰(zhàn)死亡”的分子，在論文中名為“DHAQ”，但是在實(shí)驗卻被戲稱為“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。

這項研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會雜志（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，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：“這使我們在采用間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，用于存儲來自風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源的電力，并且在沒有風(fēng)也沒有太陽光照射的時候提供電力。

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)果的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)這些蒽醌類物質(zhì)隨著時間緩慢地分解，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齡，并不是基于它們充放電有多頻繁。

這項發(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)中嵌入了兩個氧原子）在充電時，會有失去其中一個氧原子的輕微傾向，從而變成一個不同的分子。一旦這種現(xiàn)象發(fā)生，它會開始一種連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致能量存儲材料發(fā)生不可挽回的損失。”

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

第二項技術(shù)：團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)對電池進(jìn)行過充電會創(chuàng)造出加速分解的條件。避免過充電可以延長壽命40倍。

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

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)。對于流體電池來說，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。”

價值

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