鲁湖冯形象
PNNL Scientics Ruozhu Feng创建了一系列分子工程步骤,以培养氟镍的能量承载能力。(照片由Andrea Starr |太平洋西北国家实验室)

美国能源部的科学家们的西北国家实验室(Richland,WA)表明,低成本的有机化合物持有储存能源的承诺。常见的氟烯酮,亮黄色粉末,已被证明是氧化还原电池水溶液的有效材料,这可以为电网提供储能。

这种存储的发展至关重要。例如,当电网由于恶劣天气而离线时,开发的大型电池将启动,提高网格弹性并最大限度地减少中断。电池还可用于将可再生能源存储在风和太阳能中,以便在风静音或太阳不闪亮时使用。

“流量电池技术是能源部门的重要组成部分,以降低未来十年的电网储能成本,”Doe电力办事处储能总监IMREGyuk表示。“进展已经迅速,成本显着下降,但需要进一步研究来使网格级能量存储广泛可用。”

科学家们正在为创造更好的电池做出巨大的努力 - 以更低的成本储存更多的能量,比以往任何时候都更长。结果触及了我们生活的许多方面,转化为更有弹性的电网,更持久的笔记本电池,更多的电动车辆,以及更多地利用吹风,闪亮的阳光或流水的可再生能源。

对于网格级电池,识别合适的材料并将它们结合起来为能量存储创造新的配方是世界利用和存储可再生能源的能力的关键步骤。最广泛使用的网格级电池使用锂离子技术,但这些电池难以定制时刻达到电网最有用的时刻,并且存在安全问题。氧化还原流量是不断增长的替代方案;然而,大多数使用钒,这是昂贵的,不易使用,并且容易出现波动。这些特征对使用它们进行广泛的网格级储能来构成障碍。

用于流动电池的替代材料包括有机分子,这些材料远远超过钒,比钒更环保,更便宜。但有机物没有符合流电池技术的需求,通常比所需速度快。分子的长期稳定性是重要的,因此它们保持了多年来进行化学反应的能力。

“这些有机材料由可用的最常见的材料制成 - 碳,氢和氧气,”PNNL科学家魏王说,他们领导流动团队。“它们很容易可用;他们不需要开采,因为钒这样的物质。这使得它们对网格级能量存储非常有吸引力。“然而,王的团队证明,低成本的有机含氟醌不仅是一个可行的候选人,而且在储能时也是一个突出表演者。在实验室测试中模仿真实的条件,PNNL电池连续运行120天,仅在与电池本身无关的其他设备堵塞时才会结束。电池经历了1,111个全周期的充电和放电 - 相当于正常情况下的几年的操作 - 并且损失了其能量容量的3%。其他基于有机的流量电池在更短的时间内操作。

该团队创建的流量电池仅为10平方厘米,大约大邮票的大小,并耗尽了大约500毫瓦的电力,甚至不足以为手机相机供电。但微小的结构体现了巨大的承诺:它的能量密度是今天使用中使用的钒电池的两倍,其化学成分便宜,持久性长,广泛可用。

芴酮也用于太阳能电池板,在药品,如药物,以治疗疟疾,以及蜡烛,给他们一个令人愉快的香味。它符合煤焦油和苯甲酸的常见食品添加剂的废品价格便宜且随便可用。

研究人员将注意力集中在氟核作为水性(基于水)流电池的核心,但存在屏障。对于一个,分子不足水溶性。分子在水溶液中没有显示氧化还原可逆性;也就是说,科学家们没有证明它既可以容易地接受和捐赠电子,两个互补和强制执行流动电池。

然而,它们创造了一系列复杂的化学步骤 - 他们称之为“分子工程” - 将氟核转化为氧化还原,可逆水溶性化合物。对于氟烯酮,该方法的一部分长期以来一直容易:在称为还原的过程中获得电子。但是令人痛苦的努力来带来另一半的过程 - 氧化,电子损失 - 使工艺可逆,适合能量储存。

出乎意料的是,他们发现氟烯酮进行可逆反应的能力取决于其浓度 - 溶解在水中的更多物质使得可逆性成为可能。科学家们并没有见证以前的有机分子的现象。

该团队还增加了氟烯酮在水中的溶解度,从近0到每升高达1.5摩尔的原始氟镍,这取决于对化合物的改性。在水性流动电池中的溶解度至关重要;材料溶解在水中越多,它在电池心脏核心的交换中可用作化学伴侣。

PNNL鼓励氟镍基氧化还原流量的商业化,作为第一步,已提起创新的专利。

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