哈佛研发长寿有机液流电池，材料年衰退率低于 3%

shuszhao · 发表于 2018-8-14 08:56:47

太阳能与风能为当今备受欢迎的绿色能源，但这些技术皆为变动型能源，若不想要电力供过于求或是供电不稳，得找出有效且可大规模储存电力的方式。液流电池或许会成为再生能源储能明日之星……

液流电池可以储存大量电力，有望在绿能储能技术派上用场，而近日美国哈佛大学团队更成功改良有机化合物醌（quinones），打造出更高效与长寿的有机液流电池，缩短该设备与商业化门坎的距离。
太阳能与风能为当今备受欢迎的绿色能源，但这些技术皆为变动型能源，若不想要电力供过于求或是供电不稳，得找出有效且可大规模储存电力的方式。其中锂离子电池虽然为储能技术龙头，不过大范围建置锂离子电池储能电厂将是一笔不菲的开销，厂商也需要定期更换电池。
液流电池或许会成为再生能源储能明日之星。该系统运作模式是将电子储存在外部两侧的液态电解质槽，充放电时电解质会被帮补到中间的发电室，而发电室也会以薄膜隔开两种溶液、形成两个电极，最后产生离子交换来发电。
该电池可以透过改变电解质与薄膜尺寸来调整电池容量与电输出，且由于电池两侧电解质是分开存放，相互渗漏与自身放电的机率都很低，因此安全性高、能量也可以长久储存，非常适合制作成大型储能系统，只不过该设备目前的能量密度不高，还需要进一步突破才能抵达商业化阶段。
以往的液流电池也都是由溶于酸的钒和溴电解质组成，这些化学品不仅成本高昂，也具有腐蚀性，因此不少科学家将目光从钒转向有机化合物醌类。该分子在自然界分布相当广泛，常见于光合作用与细胞呼吸中，可为动植物储存能量。
哈佛大学则致力于研发有机液流电池，2014 年以来已尝试 1 万种醌类，并测验过多种材料，像是用亚铁氰化物取代溴、将酸性电解质转换为碱性混合物、用改良维生素 B2 当作醌，2017 年更是调配出中性电解质配方，只是这些研究付出仍无法让有机液流电池跨越商业门坎。

不过目前似乎又有一线曙光，现在哈佛大学团队已改造一种醌类，成功制造出寿命与效能兼具的有机液流电池设备。为表达材料的稳定性与长寿特质，研究员还以《圣经》中寿命最长的人来为材料命名、称之为“玛士撒拉（Methuselah）分子”。
哈佛材料科学教授 Michael Aziz 表示，以前团队也有制造出长寿的液流电池，但是那些化学物质可承受电压较低，导致分子无法储存过多能量。而现在已找出稳定性高、输入电压也可超过 1 伏特的材料，有望成为符合商业化与技术标准的设备。

该材料的稳定性相当高，研究测试指出，玛士撒拉分子每日衰退率（fade rate）低于 0.01%，充放电循环衰退率也不到 0.001%，这些数据代表着分子的年衰退率有望低于 3%，在这期间有机液流电池可以充放电好几万次。
且玛士撒拉分子也具有可溶性、容易溶解在弱碱性电解质中，如此一来不仅可以提高电池能量密度，薄膜与电解槽也不需要优异的耐腐蚀特性，能降低材料的总成本。美国能源部储能研究主任 Imre Gyuk 则表示，这项研究让液流电池朝低成本与长寿迈进，而目前我们也相当需要这类型的设备，这样才可以吸收大量的间歇型绿能电力。
研究已表在《Joule》。

研究小组成员在他们的实验室里。下排从左到右：Daniel Pollack，Emily Kerr，Diana DePorcellinis，Daniel Tabor。上排从左到右：Marc-Antoni Goulet，Michael Aziz，Roy Gordon，David Kwabi，Yunlong Ji。（图片由Eliza Grinnell / SEAS Communications提供）