下一代液流电池设计创下记录

一种常见的食品和药品添加剂在一项创纪录的实验中表明，它可以提高下一代液流电池设计的容量和寿命。

太平洋西北国家实验室的一个研究小组报告称，液流电池是一种针对电网储能进行优化设计的液流电池，在连续充放电一年多的情况下仍能保持其存储和释放能量的能力。

这项研究刚刚发表在《焦耳》杂志上，详细介绍了首次使用一种名为β-环糊精(淀粉衍生物)的溶解单糖来延长电池寿命和容量。在一系列实验中，科学家们优化了系统中化学物质的比例，直到峰值功率提高了 60%。然后他们一遍又一遍地循环电池一年多，直到塑料管失效后才停止实验。在此期间，液流电池几乎没有失去任何充电活性。这是第一个实验室规模的液流电池实验，报告连续使用一年多，容量损失最小。

β-环糊精添加剂也是第一个加速电化学反应的添加剂，该反应在称为均相催化的过程中储存然后释放液流电池能量。这意味着糖在溶解在溶液中时发挥作用，而不是作为固体施加到表面上。

“这是一种开发液流电池电解质的全新方法，”PNNL 电池长期研究员、该研究的首席研究员 Wei Wang 说道。“我们表明，您可以使用一种完全不同类型的催化剂来加速能量转换。此外，由于它溶解在液体电解质中，因此消除了固体移动和污染系统的可能性。”

什么是液流电池?

顾名思义，液流电池由两个室组成，每个室填充不同的液体。电池通过电化学反应充电并以化学键储存能量。当连接到外部电路时，它们会释放能量，为电气设备供电。液流电池与固态电池的不同之处在于，液流电池有两个外部供应罐，液体不断循环流过其中以供应电解液，相当于系统的“血液供应”。电解液供应罐越大，液流电池能储存的能量就越多。

如果它们扩大到足球场或更大的大小，液流电池可以作为电网的备用发电机。液流电池是储存可再生能源能源的脱碳战略的关键支柱之一。它们的优点是可以以任何规模建造，从实验室规模(如 PNNL 研究中的那样)到城市街区的规模。

为什么我们需要新型液流电池?

大规模储能提供了一种防止电网中断的保险政策。当恶劣天气或高需求阻碍家庭和企业供电的能力时，大型液流电池设施中存储的能源可以帮助最大程度地减少中断或恢复服务。随着发电越来越多地来自风能、太阳能和水力发电等可再生能源，对这些液流电池设施的需求预计只会增长。诸如此类的间歇性电源需要一个地方来存储能量，直到需要满足消费者的需求为止。

虽然有许多液流电池设计和一些商业设施，但现有的商业设施依赖于开采的矿物，例如昂贵且难以获得的钒。这就是为什么研究团队正在寻找有效的替代技术，使用更容易合成、稳定且无毒的常见材料。

“我们不能总是在地球上挖掘新材料，”美国能源部电力办公室储能研究主任伊姆雷·久克(Imre Gyuk)说。“我们需要利用可以大量合成的化学品开发一种可持续的方法——就像制药和食品工业一样。”

液流电池方面的工作是 PNNL 开发和测试电网规模储能新技术的大型计划的一部分，该计划将随着 PNNL 电网存储发射台于 2024 年开放而加速。

良性的“糖水”使锅变得更甜，从而形成有效的液流电池

开发这种新电池设计的 PNNL 研究团队包括具有有机和化学合成背景的研究人员。当团队选择使用未用于电池研究但已为其他工业用途生产的材料时，这些技能就派上用场了。

“我们正在寻找一种简单的方法来在水基电解质中溶解更多的芴醇，”这项新研究的第一作者冯若竹说。“β-环糊精起到了一定的作用，但它真正的好处是这种令人惊讶的催化能力。”

研究人员随后与耶鲁大学的合著者莎朗·哈姆斯-希弗(Sharon Hammes-Schiffer)合作，解释了其工作原理。莎伦·哈姆斯希弗是催化促进化学反应的权威。

正如研究中所述，糖添加剂接受带正电的质子，这有助于平衡电池放电时负电子的运动。细节有点复杂，但这就像糖让锅变甜，让其他化学物质完成它们的化学舞蹈。

这项研究是 PNNL 获得专利的下一代液流电池设计，该设计首次在 2021 年的《科学》杂志上进行了描述。在那里，研究人员表明，另一种常见的化学物质，称为芴酮，是一种有效的液流电池成分。但最初的突破需要改进，因为与商业化的液流电池技术相比，这一过程缓慢。研究人员表示，这一新进展使电池设计成为扩大规模的候选方案。

与此同时，研究小组正在通过试验与β-环糊精类似但更小的其他化合物来进一步改进该系统。与蜂蜜一样，添加 β-环糊精也会使液体变稠，这对于流动系统来说不太理想。尽管如此，研究人员发现它的好处超过了缺点。