作者：HarvardJohnA.PaulsonSchoolofEngineeringandAppliedSciences

哈佛大學(xué)的研究人員在有機液流電池上取得了多年的進展后，遇到了一個問題：為其突破性電池提供動力的有機蒽醌分子隨著時間的推移會緩慢分解，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。

這是一種對抗死亡的分子，在他們的論文中被稱為“DHAQ”，但在實驗室中被稱為“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。該團隊的復(fù)活方法將電池的容量衰減率至少降低了40倍，同時使電池完全由低成本的化學(xué)物質(zhì)組成。

這項研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上。

阿齊茲說：“如果有機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步?！?/p>

自2014年以來，Aziz、Gordon和他們的團隊一直致力于開發(fā)安全、經(jīng)濟的有機水液流電池，用于儲存風(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，研究人員發(fā)現(xiàn)不管是使用了多少次電池，這些蒽醌在一段時間內(nèi)都會緩慢分解。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理。

戈登說：“我們發(fā)現(xiàn)，這些蒽醌分子，有兩個氧原子嵌入碳環(huán)，在充電時有輕微的失去一個氧原子的傾向，變成一個不同的分子。一旦發(fā)生這種情況，就會發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致儲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)，如果這個分子在充放電循環(huán)的正確部分暴露在空氣中，它會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。單次實驗就可以恢復(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：“分解和再生機制可能與所有蒽醌有關(guān)，而蒽醌是目前公認的最有前途的液流電池有機分子?！?/p>

“這項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步，”能源部儲電項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。”