哈佛大学在高性能有机液流电池方面取得重大突破

这种流动电池使用了一种新的有机分子，使得它的寿命比以往的电池都要长，创造了迄今为止最持久的高性能有机流电池。图片：Eliza Grinnell

      为了在未来延续人类文明，人类必须利用清洁能源来取代目前污染我们大气的化石燃料。太阳能和风能可以提供所有必要的能源。因而，为防止无光和无风的情况，存储能量是非常必要的。

      有机液流电池是一种安全且便宜，并可作为锂离子电池和钒液流电池大规模循环储能商用设备的替代品。

      目前，哈佛大学的研究人员已经验证了一种新的有机分子，它的寿命超过之前所有的物质，创造了迄今为止最持久的高性能有机液流电池。绰号“Methuselah”，这是一种寿命最长的“圣经般的物质”，这个分子可以在多年的时间里进行成千上万次有效能量的储存和释放。

      该研究成果发表在Joule杂志上。这项研究由哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）化学与材料科学教授Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot，材料及能源技术学教授Michael Aziz,  Gene 及 Tracy Sykes共同领导。

      “我们设计并制造了一种新的有机化合物，可以储存电能，并且在分解之前具有很长的使用寿命，”Gordon说。“我们发现了以往液流电池中分子的降解过程。依此，我们创造了新的，更稳定的分子来避免以往存在的问题。”

      “在之前的工作中，我们已经验证了一种具有长寿命但低电压的化学物质，低电压会导致分子能量储存量低，最终导致定量能量存储成本高，”Aziz说。“现在，我们拥有了第一种持续稳定且电压超过1V的化学物质，这些通常被认为是商业部署的门槛。我相信这是第一个基于有机物质并符合所有技术标准的流体电池。”

       这种新的化学物质是由Aziz and Gordon领导发现的先进研究成果。Methuselah分子是一种改良的醌，是一种丰富的，天然存在的分子，与光合作用和细胞呼吸等生物过程不可分割。他们的研究团队与理论化学教授AlánAspuru-Guzik合作，描述了流动电池中醌分子的降解过程，并进行了修改以延长其工作寿命。

       实验中，Methuselah分子的每天衰减率低于0.01％，每次充电/放电循环低于0.001％——以此推断在一年的时间内衰减不到3％——并且进行了成千上万个有效的工作循环。

      Methuselah也被证明是高度可溶的，这意味着它可以在更小的空间中储存更多的能量。它可在弱碱性电解质中工作，并通过使用廉价的密封材料和廉价的聚合物膜来分离正极和负极，从而降低了电池的成本。

      所有这些进步都降低了存储成本，并且使用有机化学物质，对长时间放电具有成本效益。

      SEAS的博士后研究员，该论文的共同第一作者David Kwabi说。“这项研究证明了有机物的潜力，我们也证明了有机分子可以是昂贵钒电池的可行、持久且经济的替代品。”

      该研究得到了美国能源部电力储能计划、高级研究计划局能源、丹麦创新基金、马萨诸塞州清洁能源技术中心以及哈佛工程与应用科学学院的支持。

      美国能源部电力储存办公室主任ImreGyuk表示：“这项重要工作代表了低成本，长工作时间的流体电池的重大进步，电网需要这样的设备来吸收越来越多的绿色但易变的可再生发电能源。”

      在哈佛大学技术开发办公室（OTD）的协助下，研究人员正在寻求商业合作伙伴来扩大工业应用技术。哈佛OTD已经提交了一系列关于液流电池技术创新的待批专利。