科學(xué)家研制出高性能水相有機(jī)液流電池

　　主要前景是大規(guī)模儲(chǔ)能和家庭儲(chǔ)能應(yīng)用

　　美國(guó)猶他州立大學(xué)教授劉天驃團(tuán)隊(duì)日前設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)全新的水相有機(jī)液流電池。這項(xiàng)工作使用簡(jiǎn)單高效的合成方法得到了高性能的有機(jī)分子液流電池材料，從而使有機(jī)液流電池的實(shí)用性前景進(jìn)一步明朗。這一成果近期發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。

　　人們?nèi)粘Ｉ畹哪茉?0%以上來(lái)源于化石能源，比如石油、煤和天然氣。然而化石能源儲(chǔ)備有限，開(kāi)采和燃燒后釋放大量的二氧化碳和其他有害氣體造成環(huán)境問(wèn)題。如果盡可能地使用可再生能源，比如太陽(yáng)能和風(fēng)能，不僅能達(dá)到環(huán)保的效果，還可帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　然而太陽(yáng)能和風(fēng)能的能量強(qiáng)度不穩(wěn)定。為了把不穩(wěn)定可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的可利用能源，能源儲(chǔ)存就顯得非常重要。電化學(xué)儲(chǔ)能是各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界都推崇的一種有效儲(chǔ)能方式。在各種電化學(xué)儲(chǔ)能策略中，相對(duì)于靜態(tài)電池，液流電池有幾個(gè)特別的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，最適于大規(guī)模(兆瓦/兆瓦時(shí))的電化學(xué)能源儲(chǔ)存(比如相對(duì)獨(dú)立的能量和功率控制)、大電流大功率運(yùn)行(響應(yīng)快)、安全性能高(不易燃燒和爆炸)等。

　　然而包括釩液流電池以及鋅溴液流電池在內(nèi)的傳統(tǒng)液流電池技術(shù)也存在一些技術(shù)缺陷，比如因活性物質(zhì)在電極間的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致的自放電以及庫(kù)倫效率低;腐蝕性電解液不環(huán)保以及由此產(chǎn)生的安全隱患。釩液流電池的成本大概是450美元每千瓦時(shí)，美國(guó)能源部推薦的電化學(xué)儲(chǔ)能的普及價(jià)格要在150美元每千瓦時(shí)以下，這就意味著需要開(kāi)發(fā)高性能、經(jīng)濟(jì)適用的全新液流電池技術(shù)。

　　為了克服傳統(tǒng)液流電池的缺陷，一個(gè)熱點(diǎn)研究方向就是在液流電池中使用電化學(xué)活性的有機(jī)分子代替?zhèn)鹘y(tǒng)無(wú)機(jī)電活性物質(zhì)。電化學(xué)活性的有機(jī)分子在其他領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，很多成熟的有機(jī)分子可以使用到液流電池中。有機(jī)分子制備較容易，可以大規(guī)模低成本生產(chǎn)，而且可塑性強(qiáng)，可以通過(guò)合成以及改性設(shè)計(jì)出需要的功能，比如高電位、高溶解性以及與電池隔膜的高兼容性。

　　在這項(xiàng)新的研究中，劉天驃團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這種水相有機(jī)液流電池以水溶性的二茂鐵作為正極電解液活性材料，甲基紫精作為負(fù)極電解液活性材料，因而稱之為二茂鐵/甲基紫精液流電池。該工作是對(duì)先前劉天驃的甲基紫精液流電池工作的延伸。

　　二茂鐵是非常穩(wěn)定的電化學(xué)活性分子，且沒(méi)有任何水溶性。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)在于利用分子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高水溶性氨基修飾的二茂鐵，可以達(dá)到4M的水溶性，在2M的氯化鈉支持電解液的溶解性也達(dá)到了3M，對(duì)應(yīng)的理論電容量分別是107.2Ah/L和80.4Ah/L。這類氨基二茂鐵非常容易合成，實(shí)驗(yàn)室合成規(guī)模在100克，產(chǎn)率在95%以上。

　　劉天驃說(shuō)：“這項(xiàng)成果的主要前景是大規(guī)模儲(chǔ)能和家庭儲(chǔ)能應(yīng)用。現(xiàn)在太陽(yáng)能和風(fēng)能的普及越來(lái)越快，隨著很多社區(qū)住戶的房頂安裝了太陽(yáng)能板，高效經(jīng)濟(jì)的電化學(xué)儲(chǔ)能方式顯得尤其重要。”

　　有必要指出的是，對(duì)于液流電池而言，活性物質(zhì)需要簡(jiǎn)單高產(chǎn)合成才能降低成本，適應(yīng)大規(guī)模應(yīng)用。和高電容量的甲基紫精配對(duì)后，二茂鐵/甲基紫精液流電池的電壓為1.05V，理論能量密度可以達(dá)到45.5Wh/L，高于釩液流電池。二茂鐵/甲基紫精液流電池使用中性環(huán)保的氯化鈉支持電解液以及廉價(jià)的陰離子交換膜。二茂鐵/甲基紫精液流電池在60mA/cm2電流密度長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試700次充放電，能量效率在61%左右，電容量保持在91%以上，電容量保持率達(dá)到99.99%每個(gè)循環(huán)。測(cè)試電流密度可以達(dá)到100mA/cm2，輸出功率可以達(dá)到120mW/cm2。

　　劉天驃表示：“這項(xiàng)新的水相有機(jī)液流電池的綜合性能是目前所報(bào)道的有機(jī)液流電池中最好的，而且這項(xiàng)技術(shù)的估算成本在160美元每千瓦時(shí)，很有市場(chǎng)應(yīng)用前景。”劉天驃同時(shí)指出，這個(gè)工作還有很多要完善的地方，比如找到電容量緩慢下降的原因，使電池的循環(huán)型增加到幾千次，目前已經(jīng)有了一些新的突破。