科学家用蜡烛中常见的有机化合物 大幅改善了液流电池能量密度

2021年05月21日 15:57 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

随着世界向风能和太阳能等可再生能源转型,科学家们已将氧化还原液流电池装置,视作可满足未来能源存储需求的解决方案的一部分。不过要在性能和可持续性方面得到更大的改善,还有许多前置工作要先完成。好消息是,来自美国太平洋西北实验室(PNNL)的一支研究团队,刚刚证实了蜡烛中广泛使用的一种化合物,可被用于缓解现代能源储存的挑战。

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将在 PNNL 园区内建造的电网储能技术研发测试大楼(渲染图)

来自美国能源部的科学家们,已经通过利用蜡烛中常见的一宗化合物,来化解当前电池设计的两大短板。在提升能量密度的同时,还有效地延长了电池的使用寿命。

所谓的氧化还原液流电池,被认为是存储间歇性能量(比如风能 / 太阳能)的良好候选。与在电极材料中存储能量的锂离子电池不同,前者可将能量存储在拥有巨大外部容器的液体电解质中。

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新方案有助于提升电网恢复能力,并将能源中断的发生率降至最低(来自:PNNL

氧化还原液流电池的这一特点,使之能够通过简单地增加储罐的大小来提升储能潜力。对于无法按需生成、且通常需要后备设施提供支撑的可再生能源来说,可谓是再合适不过。

不过在将这套装置与电网设施打通之前,研究人员还需努力消除当前设计中暴露的某些缺陷。

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科学家 Ruozhu Feng 展示新型氧化还原液流电池(图自:PNNL / Andrea Starr 摄)

据悉,大多数氧化还原液流电池都依靠金属钒来促进电子的转移,以在充放电过程中确保相当高的可靠性。但由于开采成本过于高昂,科学家们也一直在努力探索如何用更加环保、且低成本的有机材料来替代。

好消息是,近期我们在这方面看到了一些有意义的进展,比如有研究团队在其中掺入虾壳中提取的化合物、有机聚合物、乃至盐水。现在,PNNL 实验室又揭示了源于蜡烛的一种前景光明的候选化合物。

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芴酮此前已在诸多领域得到过应用(图自:PNNL / Xin Zhang 摄)

这种有机化合物被称作芴酮(Fluorenone),此前已被用于 LED、光伏电池板等产品,且有助于让蜡烛闻起来更香。有趣的是,现在它又被 PNNL 研究人员用于改善氧化还原液流电池的性能。

通常情况下,芴酮的水溶性并不高,且无法轻易接受和提供电子。但通过复杂的化学处理,研究人员得以克服这些缺点,并将之成功地运用用于水基的氧化还原液流电池。

研究作者 Wei Wang 表示:“通过成熟的分子工程技术,我们将一种被广泛认为不可能使用的材料,成功转变成了可用于储能设施的良好材料,为我们敞开了通向探索重要化学性质的新大门”。

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Xin Zhang 在 LED 中应用芴酮的经验,也对本次研究提供了帮助(图自:PNNL / Andrea Starr 摄)

研究发现,芴酮在水基电解质中进行必要反应的能力,与其浓度有很大的关系,目前团队正在着手敲定最佳的配方。原型液流电池的仅有邮票差不多大小,但能够持续运行 120 天、涉及 1111 个循环充电周期。

即便如此,其损耗仍不到初始容量的 3%,显示出了较其它有机液流电池更长的使用寿命。目前研究团队已为新电池设计申请了专利。展望未来,研究团队还希望将新型氧化还原液流电池的能量密度,翻番到钒基电池方案的两倍以上。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《科学》(Science)杂志上,原标题为《Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteries》。

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