作者：HarvardJohnA.PaulsonSchoolofEngineeringandAppliedSciences

哈佛大學(xué)的研究人員在有機(jī)液流電池上取得了多年的進(jìn)展后，遇到了一個(gè)問題：為其突破性電池提供動(dòng)力的有機(jī)蒽醌分子隨著時(shí)間的推移會(huì)緩慢分解，從而降低電池的長期效用。

現(xiàn)在，由哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）材料與能源技術(shù)教授邁克爾·阿齊茲（MichaelAziz）和特蕾西·賽克斯（TracySykes）以及托馬斯·達(dá)德利·卡博特（ThomasDudleyCabot）化學(xué)教授和材料科學(xué)教授羅伊·戈登（RoyGordon）領(lǐng)導(dǎo)的研究人員不僅知道了分子是如何分解的，還知道了如何減輕甚至逆轉(zhuǎn)這種分解。

這是一種對(duì)抗死亡的分子，在他們的論文中被稱為“DHAQ”，但在實(shí)驗(yàn)室中被稱為“僵尸奎寧”（zombiequinone），這種分子是大規(guī)模生產(chǎn)成本最低的分子之一。該團(tuán)隊(duì)的復(fù)活方法將電池的容量衰減率至少降低了40倍，同時(shí)使電池完全由低成本的化學(xué)物質(zhì)組成。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上。

阿齊茲說：“如果有機(jī)液流電池將獲得廣泛的市場滲透，低批量生產(chǎn)成本就非常重要。因此，如果我們能利用這些技術(shù)將DHAQ的壽命延長到幾十年，那么我們就有了一種成功的化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

戈登說：“這是使我們能夠用間歇的可再生電力取代化石燃料的重大進(jìn)步?！?/p>

自2014年以來，Aziz、Gordon和他們的團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)的有機(jī)水液流電池，用于儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源的電力，并在不刮風(fēng)和陽光不照射的情況下提供電力。他們的電池使用一種叫做蒽醌的分子來儲(chǔ)存和釋放能量，這種分子由天然豐富的元素組成，如碳、氫和氧。

起初，研究人員認(rèn)為分子的壽命取決于電池的充放電次數(shù)，就像鋰離子等固體電極電池那樣。然而，在調(diào)和不一致的結(jié)果時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)不管是使用了多少次電池，這些蒽醌在一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)緩慢分解。他們發(fā)現(xiàn)分解的量是基于分子的歷法年齡，而不是它們被充放電的頻率。

這一發(fā)現(xiàn)使研究人員研究了分子分解的機(jī)理。

戈登說：“我們發(fā)現(xiàn)，這些蒽醌分子，有兩個(gè)氧原子嵌入碳環(huán)，在充電時(shí)有輕微的失去一個(gè)氧原子的傾向，變成一個(gè)不同的分子。一旦發(fā)生這種情況，就會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致儲(chǔ)能材料的不可逆損失?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種避免發(fā)生該連鎖反應(yīng)的方法。第一：讓分子暴露在氧氣中。研究小組發(fā)現(xiàn)，如果這個(gè)分子在充放電循環(huán)的正確部分暴露在空氣中，它會(huì)從空氣中獲取氧原子，然后轉(zhuǎn)變成原始的蒽醌分子，就像死而復(fù)生一樣。單次實(shí)驗(yàn)就可以恢復(fù)70%的容量損失。

第二，研究小組發(fā)現(xiàn)過度充電會(huì)造成加速分解的情況。避免過充電可延長壽命40倍。

阿齊茲說：“在未來的工作中，我們需要確定這些方法的結(jié)合能在多大程度上延長電池的壽命?！?/p>

戈登說：“分解和再生機(jī)制可能與所有蒽醌有關(guān)，而蒽醌是目前公認(rèn)的最有前途的液流電池有機(jī)分子?！?/p>

“這項(xiàng)重要的工作代表著朝著低成本、長壽命的液流電池方向的重大進(jìn)步，”能源部儲(chǔ)電項(xiàng)目辦公室主任伊姆雷·吉烏克說。這類裝置需要使電網(wǎng)能夠吸收越來越多的綠色但可變的可再生能源發(fā)電?！?/p>