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‘僵尸分子’延长了可再生能源储存的水系液流电池寿命

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-08-25
 

有机水系液流电池分子的分解与重组循环。在正常充放电过程中,所谓的“僵尸分子”在DHAQ2-(左)和DHAQ4-(中下部)之间震荡。当分子分解时,转换成DHA2-(右)。电压脉冲重置将分子(右)分解回到原始状态(左)。

一种逆转关键分子分解的新方法可能使有机水系液流电池在商业上可行。

虽然可再生能源的使用越来越广泛,但研究人员仍在继续寻找储存这种能源的最佳方式,以便在太阳能或风能等能源不可用的情况下也能使用。

有机水系液流电池已经成为一个很有前途的解决方案,然而该技术中某些材料的不稳定性阻碍了其商业可行性。

现在,哈佛大学(Harvard University)与剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员合作,找到了一种新方法,解决一些与延长有机水系液流电池寿命的相关问题,哈佛大学工程和应用科学学院(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)材料与能源技术教授Michael Aziz表示,“这是使这些电池具有竞争力的一大步。”

Aziz与哈佛大学化学与材料系教授Roy Gordon十余年来一直致力于研发使用蒽醌类分子的有机水系液流电池。这些分子可以储存与释放能源,由天然且丰富的元素组成,如碳、氢、氧。

虽然由这些有机分子制成的电池具有功能性,但蒽醌类分子本身会随着时间慢慢分解,这一过程与电池被使用了多少次无关。这种分解限制了由这些分子制成的电池的寿命,延长其寿命成为团队的首要任务。

   建立在先前成功的基础上

研究人员已经在先前的工作中已经取得了一些成功,延长了设备中发现的分子寿命,该分子被称为DHAQ,但在实验室被称为“僵尸醌”。

他们发现,通过在充放电循环的正确时间将分子暴露在空气中,可提取氧气并逆转分解过程,将蒽醌分子恢复到其原始状态。根据研究人员的说法,似乎死而复生的过程是这种分子绰号的灵感来源。

虽然这项工作为哈佛团队的最终目标带来了希望,但他们意识到将电池电解液暴露在空气中是不现实的,这就意味着电池的两端不能在同一时间充满电,会造成不平衡的现象。

为了找到更实际的方法,AzizGordon与剑桥大学的科学家合作,以更好地了解分子是如何分解的。通过此次合作诞生了当前工作的产物,是一种逆转分解过程的电学方法。

休克疗法

他们表示,研究人员发现当前工作的关键是在电池放电循环过程中引用“休克疗法”。

他们发现如果他们进行所谓的“深度放电”,或将电池正负极放电到电压差为零的程度,然后再翻转电池的极性,使正极变为负极,负极变成正极,他们可以产生电压脉冲,将分解的分子重置回原始状态。

参与该项目的哈佛大学博士后Yan Jing在新闻声明中表示:“通常,在运行其他类型的电池时,是想要避免将电池全部耗尽的,因为这会使电池元件性能降低。然而我们发现这种极端放电,实际上可以逆转极性,可以重组这些分子,这对我们来说是一个惊喜。”

他解释说,该过程与心脏起搏器的工作原理相似,定期性地为系统提供有益的冲击,在这种情况下,会使分解的分子复活。

研究人员将相关论文发表在《Nature Chemistry》杂志上。在论文中,他们验证该过程可以产生一种有机水系液流电池,其净寿命是先前研究的17倍。

前方的道路

此外,研究人员表示,进一步细化该过程的后续研究表明,使用寿命的增加甚至更大,可达260倍之多,每年的损失率不到10%。根据Aziz的说法,后一项数据对该设备的商业化尤其有希望。

Aziz表示:“达到每年个位数的损失百分比,确实有利于广泛的商业化,因为每年以几个百分点的速度给储液罐加满并不是一个主要的经济负担。”

哈佛大学技术开发办公室已为该项目的关键技术申请了专利,并将这项专利以及其他相关专利许可给Quino Energy公司,该公司是致力于有机水系液流电池商业开发的初创公司,AzizGordon与他们的团队也在公司工作。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.8.19

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
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