美國(guó)南加州大學(xué)的科研人員最近研發(fā)出一種低成本的水系液流有機(jī)電池，可用于電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能。這種新電池不含金屬材料，或者其它有毒成分。該論文發(fā)表在6月20日的在線《Journal of the Electrochemical Society》上。

該論文作者——南加州大學(xué)Dornsife文理學(xué)院的化學(xué)教授Sri Narayan說(shuō)道：“這種新電池可經(jīng)歷高達(dá)5000次的充放電循環(huán)，使用壽命大概在15年左右。鋰離子電池在經(jīng)歷1000次的充放電循環(huán)后就會(huì)退化。”這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是Narayan教授與化學(xué)系教授兼Locker碳?xì)浠衔镅芯克L(zhǎng)G.K.Surya Prakash、楊波、Lena Hoober-Burkhardt和王芳共同合作的成果。Prakash教授說(shuō)道：“這種有機(jī)液流電池將會(huì)在簡(jiǎn)易性、成本、可靠性和可持續(xù)性方面改變電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能。”

Sri Narayan教授研究電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換 (圖片來(lái)源：USC / Gus Ruelas)

這種有機(jī)液流電池可以提高可再生能源發(fā)電在全國(guó)總發(fā)電中的比例。太陽(yáng)能電池僅在有陽(yáng)光時(shí)發(fā)電，風(fēng)機(jī)也只在有風(fēng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，這兩種不穩(wěn)定性使電力公司難以依靠可再生能源發(fā)電滿足客戶需求。當(dāng)電池儲(chǔ)存多余電力，并在有需求時(shí)定量流出，就可以解決電力的不穩(wěn)定性。Narayan教授說(shuō)：“將來(lái)，兆瓦級(jí)儲(chǔ)能將是可再生能源發(fā)電的一個(gè)主要問(wèn)題。”這種新電池基于氧化還原設(shè)計(jì)，與燃料電池類似，有兩個(gè)電解槽，槽內(nèi)電活性物質(zhì)溶于水。電解槽內(nèi)的溶液被壓入兩個(gè)液體之間帶有薄膜的槽內(nèi)，兩端各連著電極。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是解耦電能。儲(chǔ)存電活性物質(zhì)的槽的尺寸可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，增加電池系統(tǒng)可以存儲(chǔ)的能量容量，或者通過(guò)調(diào)整中央槽來(lái)加快/減慢釋放能量的速度，以此改變系統(tǒng)發(fā)電量。

水系有機(jī)氧化還原液流電池 (圖片來(lái)源：USC)

該科研小組的技術(shù)創(chuàng)新主要是電活性物質(zhì)。以前的電池設(shè)計(jì)都使用金屬或者有毒化學(xué)物質(zhì)。為此，Narayan教授和Prakash教授想研發(fā)一種可以溶于水的有機(jī)化合物，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，成本低。通過(guò)把分子設(shè)計(jì)和試錯(cuò)法結(jié)合，科研人員找到一種天然醌，一種被氧化的有機(jī)化合物。醌普遍存在于植物、菌類、細(xì)菌和部分動(dòng)物體內(nèi)，參與植物的光合作用和細(xì)胞呼吸作用。Narayan教授說(shuō)道：“這些都是自然界能量轉(zhuǎn)換的方式。目前，電池需要的醌取自天然的碳?xì)浠衔铩?lái)，很可能會(huì)從二氧化碳中提取。”

科研小組已經(jīng)就有機(jī)液流電池的設(shè)計(jì)申請(qǐng)專利，并計(jì)劃擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模。該項(xiàng)研究得到美國(guó)能源部ARPA-E、南加州大學(xué)和Locker碳?xì)浠衔镅芯克馁Y金支持。