有機(jī)水系液流電池分子的分解與重組循環(huán)。在正常充放電過程中，所謂的“僵尸分子”在DHAQ2-（左）和DHAQ4-（中下部）之間震蕩。當(dāng)分子分解時(shí)，轉(zhuǎn)換成DHA2-（右）。電壓脈沖重置將分子（右）分解回到原始狀態(tài)（左）。
一種逆轉(zhuǎn)關(guān)鍵分子分解的新方法可能使有機(jī)水系液流電池在商業(yè)上可行。
雖然可再生能源的使用越來越廣泛，但研究人員仍在繼續(xù)尋找儲(chǔ)存這種能源的最佳方式，以便在太陽能或風(fēng)能等能源不可用的情況下也能使用。
有機(jī)水系液流電池已經(jīng)成為一個(gè)很有前途的解決方案，然而該技術(shù)中某些材料的不穩(wěn)定性阻礙了其商業(yè)可行性。
現(xiàn)在，哈佛大學(xué)（Harvard University）與劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的研究人員合作，找到了一種新方法，解決一些與延長(zhǎng)有機(jī)水系液流電池壽命的相關(guān)問題，哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences）材料與能源技術(shù)教授Michael Aziz表示，“這是使這些電池具有競(jìng)爭(zhēng)力的一大步。”
Aziz與哈佛大學(xué)化學(xué)與材料系教授Roy Gordon十余年來一直致力于研發(fā)使用蒽醌類分子的有機(jī)水系液流電池。這些分子可以儲(chǔ)存與釋放能源，由天然且豐富的元素組成，如碳、氫、氧。
雖然由這些有機(jī)分子制成的電池具有功能性，但蒽醌類分子本身會(huì)隨著時(shí)間慢慢分解，這一過程與電池被使用了多少次無關(guān)。這種分解限制了由這些分子制成的電池的壽命，延長(zhǎng)其壽命成為團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)。
建立在先前成功的基礎(chǔ)上
研究人員已經(jīng)在先前的工作中已經(jīng)取得了一些成功，延長(zhǎng)了設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的分子壽命，該分子被稱為DHAQ，但在實(shí)驗(yàn)室被稱為“僵尸醌”。
他們發(fā)現(xiàn)，通過在充放電循環(huán)的正確時(shí)間將分子暴露在空氣中，可提取氧氣并逆轉(zhuǎn)分解過程，將蒽醌分子恢復(fù)到其原始狀態(tài)。根據(jù)研究人員的說法，似乎死而復(fù)生的過程是這種分子綽號(hào)的靈感來源。
雖然這項(xiàng)工作為哈佛團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)帶來了希望，但他們意識(shí)到將電池電解液暴露在空氣中是不現(xiàn)實(shí)的，這就意味著電池的兩端不能在同一時(shí)間充滿電，會(huì)造成不平衡的現(xiàn)象。
為了找到更實(shí)際的方法，Aziz和Gordon與劍橋大學(xué)的科學(xué)家合作，以更好地了解分子是如何分解的。通過此次合作誕生了當(dāng)前工作的產(chǎn)物，是一種逆轉(zhuǎn)分解過程的電學(xué)方法。
休克療法
他們表示，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工作的關(guān)鍵是在電池放電循環(huán)過程中引用“休克療法”。
他們發(fā)現(xiàn)，如果他們進(jìn)行所謂的“深度放電”，或?qū)㈦姵卣?fù)極放電到電壓差為零的程度，然后再翻轉(zhuǎn)電池的極性，使正極變?yōu)樨?fù)極，負(fù)極變成正極，他們可以產(chǎn)生電壓脈沖，將分解的分子重置回原始狀態(tài)。
參與該項(xiàng)目的哈佛大學(xué)博士后Yan Jing在新聞聲明中表示：“通常，在運(yùn)行其他類型的電池時(shí)，是想要避免將電池全部耗盡的，因?yàn)檫@會(huì)使電池元件性能降低。然而我們發(fā)現(xiàn)這種極端放電，實(shí)際上可以逆轉(zhuǎn)極性，可以重組這些分子，這對(duì)我們來說是一個(gè)驚喜。”
他解釋說，該過程與心臟起搏器的工作原理相似，定期性地為系統(tǒng)提供有益的沖擊，在這種情況下，會(huì)使分解的分子復(fù)活。
研究人員將相關(guān)論文發(fā)表在《Nature Chemistry》雜志上。在論文中，他們驗(yàn)證該過程可以產(chǎn)生一種有機(jī)水系液流電池，其凈壽命是先前研究的17倍。
前方的道路
此外，研究人員表示，進(jìn)一步細(xì)化該過程的后續(xù)研究表明，使用壽命的增加甚至更大，可達(dá)260倍之多，每年的損失率不到10%。根據(jù)Aziz的說法，后一項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)該設(shè)備的商業(yè)化尤其有希望。
Aziz表示：“達(dá)到每年個(gè)位數(shù)的損失百分比，確實(shí)有利于廣泛的商業(yè)化，因?yàn)槊磕暌詭讉€(gè)百分點(diǎn)的速度給儲(chǔ)液罐加滿并不是一個(gè)主要的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。”
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室已為該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)了專利，并將這項(xiàng)專利以及其他相關(guān)專利許可給Quino Energy公司，該公司是致力于有機(jī)水系液流電池商業(yè)開發(fā)的初創(chuàng)公司，Aziz、 Gordon與他們的團(tuán)隊(duì)也在公司工作。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2022.8.19