美研發(fā)電網(wǎng)級儲能的水系液流有機電池

美國南加州大學的科研人員最近研發(fā)出一種低成本的水系液流有機電池，可用于電網(wǎng)級儲能。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Dornsife文理學院的化學教授Sri Narayan說道：“這種新電池可經(jīng)歷高達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)后就會退化。”這項實驗是Narayan教授與化學系教授兼Locker碳氫化合物研究所所長G.K.Surya Prakash、楊波、Lena Hoober-Burkhardt和王芳共同合作的成果。Prakash教授說道：“這種有機液流電池將會在簡易性、成本、可靠性和可持續(xù)性方面改變電網(wǎng)級儲能。”

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

這種有機液流電池可以提高可再生能源發(fā)電在全國總發(fā)電中的比例。太陽能電池僅在有陽光時發(fā)電，風機也只在有風時運轉(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。當電池儲存多余電力，并在有需求時定量流出，就可以解決電力的不穩(wěn)定性。Narayan教授說：“將來，兆瓦級儲能將是可再生能源發(fā)電的一個主要問題。”這種新電池基于氧化還原設計，與燃料電池類似，有兩個電解槽，槽內(nèi)電活性物質(zhì)溶于水。電解槽內(nèi)的溶液被壓入兩個液體之間帶有薄膜的槽內(nèi)，兩端各連著電極。這種設計的優(yōu)點是解耦電能。儲存電活性物質(zhì)的槽的尺寸可以根據(jù)實際需要設計，增加電池系統(tǒng)可以存儲的能量容量，或者通過調(diào)整中央槽來加快/減慢釋放能量的速度，以此改變系統(tǒng)發(fā)電量。

水系有機氧化還原液流電池 (圖片來源：USC)

該科研小組的技術(shù)創(chuàng)新主要是電活性物質(zhì)。以前的電池設計都使用金屬或者有毒化學物質(zhì)。為此，Narayan教授和Prakash教授想研發(fā)一種可以溶于水的有機化合物，對環(huán)境無污染，成本低。通過把分子設計和試錯法結(jié)合，科研人員找到一種天然醌，一種被氧化的有機化合物。醌普遍存在于植物、菌類、細菌和部分動物體內(nèi)，參與植物的光合作用和細胞呼吸作用。Narayan教授說道：“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氫化合物。將來，很可能會從二氧化碳中提取。”

科研小組已經(jīng)就有機液流電池的設計申請專利，并計劃擴大試驗規(guī)模。該項研究得到美國能源部ARPA-E、南加州大學和Locker碳氫化合物研究所的資金支持。