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如Redflow公司生產的鋅 - 溴體系的商業液流電池，正在幫助補充可再生能源 圖片來源：Redflow Limited

 

       電池已經在為各種電子產品、小型應用工具甚至是各種汽車供電。甚至在不久的將來，更加清潔方便的電池便可以幫助維持整個電網運行。隨著風能和太陽能的興起，能源公司正在尋找能夠維持在太陽不發光和風退潮時保持電子流動的方法。首先進入科學家眼睛的巨型設備便是液流電池，這是一種使用能夠存儲足夠電力的電解槽，并且可以同時為數千個家庭供電數小時的能量存儲器。但是大多數液流電池依賴于釩，這是一種稀有且昂貴的金屬，并且這種金屬的替代品壽命短且有毒。

 

       上周，研究人員報告說，他們正在研究的具有潛在廉價、長壽命和安全性的液流電池克服了許多上述缺點。這項工作是一系列研究工作的一部分，這些進步令人十分樂觀，新一代液流電池將很快成為大規模部署風能和太陽能的后盾。 “現在這個領域取得了很多進展，”德國耶拿大學的化學家Ulrich Schubert如是說道。

 

       鋰離子電池，特別是應用于筆記本電腦和特斯拉的電池，在目前的電網規模應用中處于領先地位。鋰電池已經在為醫院、辦公園區甚至城鎮提供備用電源。但位于康涅狄格州東哈特福德的聯合技術研究中心電化學能源系統副主任Michael Perry表示，它們不能很好地擴展到能為城市提供備用電源所需的更大尺寸。

 

       這就是液流電池的可用之處。它們將電荷儲存在液體電解質的罐體中，液體電解質泵送通過電極以提取電子，廢電解液返回罐體。當太陽能電池板或渦輪機提供電子時，泵將廢電解質推回電極，電解質在電極中再充電并返回到儲罐。按比例放大電池以儲存更多電力只需更大的電解槽。釩已經成為一種流行的電解質組分，因為這種金屬可以在數千次循環中可靠地充電和放電。例如，位于中國大連的榮科動力正在建造世界上最大的釩液流電池，該電池將于2020年正式上線。電池將儲存800兆瓦時的能量，足以為數千個家庭供電。市場研究公司Markets and Markets表示，由釩電池和鋅溴（另一種品種）引領的液流電池市場將有可能在未來5年內每年增長近10億美元。

 

       但近年來釩金屬價格持續上漲，專家們擔心，如果釩需求猛增，價格也將會上漲。猶他州立大學的流動電池專家劉天彪（音）說道：“一種主要的替代方案是用有機化合物代替釩，這些有機分子可以被精確定制，以滿足設計師的需求。”但有機物往往會降解并在幾個月后需要更換，有些化合物只能使用強力的酸性或堿性電解質，這些電解質可能會損壞泵體，并且有可能會導致罐體泄露，這是非常危險的。

 

       Schubert說，研究人員現在處于有機液流電池的“第二波進展研究”之中。 7月，由哈佛大學材料科學家Michael Aziz領導的一個小組在Joule雜志上報道了他們研究開發的一種長壽命的有機分子，每年僅損失3％的電荷承載能力。劉說，雖然這仍然不夠穩定，但與之前的有機液流電池相比，損失量已經非常之低了。

 

       廉價且高效的鐵離子是另一種有前途的替代品。例如，俄勒岡州波特蘭的一家名為EES的公司正在銷售這種電池。但EES的電池需要在pH值為1到4之間電解質里運行。

 

       現在，劉和他的同事們提出了一種在中性pH下運行的液流電池。他們從過去研究過的含鐵電解質亞鐵氰化物開始。但是在先前的亞鐵氰化物電池中，電解質溶解在含有鈉鹽或鉀鹽的水中，其提供帶正電的離子，其在電池中移動以平衡充電和放電期間的電子運動。亞鐵氰化物在這些鹽溶液中不易溶解，這大大限制了電池的電化學存儲容量。

 

       因此，劉和他的同事們用一種名為銨的氮基化合物取代了這種鹽，這種化合物至少可以使亞鐵氰化物溶解量提高兩倍，從而使電池容量翻倍。得到的電池不像釩液流電池那樣能量密集。但在上周的Joule雜志中，劉和他的同事們報告說，他們的鐵基有機液流電池在1000次充放電循環后沒有出現衰退的跡象，相當于能夠穩定運行3年。并且因為電解質是水基的，泄漏也可能不會產生環境損害。

 

       “總的來說，這是一項出色的工作，”新加坡國立大學材料科學家王慶（音）評價道。同時他也警告說，這種電池的充放電都很遲鈍。劉和他的同事正在計劃測試其他電解質添加劑，以提高電導率。

 

       現在說哪種液流電池電化學體系可以支持未來的可再生電網還為時過早。另一個競爭者使用由含金屬的有機化合物制成的電解質，這種電解質被稱為多金屬氧酸鹽，其在相同的體積中儲存的能量遠遠超過競爭對手。例如，在10月10日出版的Nature Chemistry雜志上，由英國格拉斯哥大學的化學家Leroy Cronin領導的研究人員報告了一種多金屬氧酸鹽液流電池，其儲存電荷能力比同樣的釩電池高40倍。Cronin表示，目前的缺點是這些電解質具有高度粘性，因此泵送電池更具挑戰性。 “今天，仍沒有一個液流電池能夠滿足所有需求，這意味著液流電池方面仍有充足的開發研究空間。” Schubert說。

 

       原文標題：New generation of ‘flow batteries’ could eventually sustain a grid powered by the sun and wind，原文來自：sciencemag