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如Redflow公司生產(chǎn)的鋅 - 溴體系的商業(yè)液流電池，正在幫助補(bǔ)充可再生能源 圖片來源：Redflow Limited

 

       電池已經(jīng)在為各種電子產(chǎn)品、小型應(yīng)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(gè)電網(wǎng)運(yùn)行。隨著風(fēng)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(fā)光和風(fēng)退潮時(shí)保持電子流動的方法。首先進(jìn)入科學(xué)家眼睛的巨型設(shè)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(shí)為數(shù)千個(gè)家庭供電數(shù)小時(shí)的能量存儲器。但是大多數(shù)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(bào)告說，他們正在研究的具有潛在廉價(jià)、長壽命和安全性的液流電池克服了許多上述缺點(diǎn)。這項(xiàng)工作是一系列研究工作的一部分，這些進(jìn)步令人十分樂觀，新一代液流電池將很快成為大規(guī)模部署風(fēng)能和太陽能的后盾。 “現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域取得了很多進(jìn)展，”德國耶拿大學(xué)的化學(xué)家Ulrich Schubert如是說道。

 

       鋰離子電池，特別是應(yīng)用于筆記本電腦和特斯拉的電池，在目前的電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位。鋰電池已經(jīng)在為醫(yī)院、辦公園區(qū)甚至城鎮(zhèn)提供備用電源。但位于康涅狄格州東哈特福德的聯(lián)合技術(shù)研究中心電化學(xué)能源系統(tǒng)副主任Michael Perry表示，它們不能很好地?cái)U(kuò)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(zhì)的罐體中，液體電解質(zhì)泵送通過電極以提取電子，廢電解液返回罐體。當(dāng)太陽能電池板或渦輪機(jī)提供電子時(shí)，泵將廢電解質(zhì)推回電極，電解質(zhì)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(jīng)成為一種流行的電解質(zhì)組分，因?yàn)檫@種金屬可以在數(shù)千次循環(huán)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(shí)的能量，足以為數(shù)千個(gè)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(lǐng)的液流電池市場將有可能在未來5年內(nèi)每年增長近10億美元。

 

       但近年來釩金屬價(jià)格持續(xù)上漲，專家們擔(dān)心，如果釩需求猛增，價(jià)格也將會上漲。猶他州立大學(xué)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(jī)化合物代替釩，這些有機(jī)分子可以被精確定制，以滿足設(shè)計(jì)師的需求。”但有機(jī)物往往會降解并在幾個(gè)月后需要更換，有些化合物只能使用強(qiáng)力的酸性或堿性電解質(zhì)，這些電解質(zhì)可能會損壞泵體，并且有可能會導(dǎo)致罐體泄露，這是非常危險(xiǎn)的。

 

       Schubert說，研究人員現(xiàn)在處于有機(jī)液流電池的“第二波進(jìn)展研究”之中。 7月，由哈佛大學(xué)材料科學(xué)家Michael Aziz領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組在Joule雜志上報(bào)道了他們研究開發(fā)的一種長壽命的有機(jī)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(wěn)定，但與之前的有機(jī)液流電池相比，損失量已經(jīng)非常之低了。

 

       廉價(jià)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(zhì)里運(yùn)行。

 

       現(xiàn)在，劉和他的同事們提出了一種在中性pH下運(yùn)行的液流電池。他們從過去研究過的含鐵電解質(zhì)亞鐵氰化物開始。但是在先前的亞鐵氰化物電池中，電解質(zhì)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(yùn)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(xué)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(bào)告說，他們的鐵基有機(jī)液流電池在1000次充放電循環(huán)后沒有出現(xiàn)衰退的跡象，相當(dāng)于能夠穩(wěn)定運(yùn)行3年。并且因?yàn)殡娊赓|(zhì)是水基的，泄漏也可能不會產(chǎn)生環(huán)境損害。

 

       “總的來說，這是一項(xiàng)出色的工作，”新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)家王慶（音）評價(jià)道。同時(shí)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(jì)劃測試其他電解質(zhì)添加劑，以提高電導(dǎo)率。

 

       現(xiàn)在說哪種液流電池電化學(xué)體系可以支持未來的可再生電網(wǎng)還為時(shí)過早。另一個(gè)競爭者使用由含金屬的有機(jī)化合物制成的電解質(zhì)，這種電解質(zhì)被稱為多金屬氧酸鹽，其在相同的體積中儲存的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)的化學(xué)家Leroy Cronin領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報(bào)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(diǎn)是這些電解質(zhì)具有高度粘性，因此泵送電池更具挑戰(zhàn)性。 “今天，仍沒有一個(gè)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(fā)研究空間。” Schubert說。

 

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