美國猶他州立大學教授劉天驃團隊日前設計開發了一項全新的水相有機液流電池。這項工作使用簡單高效的合成方法得到了高性能的有機分子液流電池材料，從而使有機液流電池的實用性前景進一步明朗。這一成果近期發表在《美國化學會志》上。
人們日常生活的能源90%以上來源于化石能源，比如石油、煤和天然氣。然而化石能源儲備有限，開采和燃燒后釋放大量的二氧化碳和其他有害氣體造成環境問題。如果盡可能地使用可再生能源，比如太陽能和風能，不僅能達到環保的效果，還可帶來巨大的經濟效益。
然而太陽能和風能的能量強度不穩定。為了把不穩定可再生能源轉化為穩定的可利用能源，能源儲存就顯得非常重要。電化學儲能是各國政府、學術界、工業界都推崇的一種有效儲能方式。在各種電化學儲能策略中，相對于靜態電池，液流電池有幾個特別的技術優點，最適于大規模(兆瓦/兆瓦時)的電化學能源儲存(比如相對獨立的能量和功率控制)、大電流大功率運行(響應快)、安全性能高(不易燃燒和爆炸)等。
然而包括釩液流電池以及鋅溴液流電池在內的傳統液流電池技術也存在一些技術缺陷，比如因活性物質在電極間的穿梭效應導致的自放電以及庫倫效率低;腐蝕性電解液不環保以及由此產生的安全隱患。釩液流電池的成本大概是450美元每千瓦時，美國能源部推薦的電化學儲能的普及價格要在150美元每千瓦時以下，這就意味著需要開發高性能、經濟適用的全新液流電池技術。
為了克服傳統液流電池的缺陷，一個熱點研究方向就是在液流電池中使用電化學活性的有機分子代替傳統無機電活性物質。電化學活性的有機分子在其他領域已有廣泛應用，很多成熟的有機分子可以使用到液流電池中。有機分子制備較容易，可以大規模低成本生產，而且可塑性強，可以通過合成以及改性設計出需要的功能，比如高電位、高溶解性以及與電池隔膜的高兼容性。
在這項新的研究中，劉天驃團隊開發的這種水相有機液流電池以水溶性的二茂鐵作為正極電解液活性材料，甲基紫精作為負極電解液活性材料，因而稱之為二茂鐵/甲基紫精液流電池。該工作是對先前劉天驃的甲基紫精液流電池工作的延伸。
二茂鐵是非常穩定的電化學活性分子，且沒有任何水溶性。這項工作的重點在于利用分子設計開發的高水溶性氨基修飾的二茂鐵，可以達到4M的水溶性，在2M的氯化鈉支持電解液的溶解性也達到了3M，對應的理論電容量分別是107.2Ah/L和80.4Ah/L。這類氨基二茂鐵非常容易合成，實驗室合成規模在100克，產率在95%以上。
劉天驃說：“這項成果的主要前景是大規模儲能和家庭儲能應用。現在太陽能和風能的普及越來越快，隨著很多社區住戶的房頂安裝了太陽能板，高效經濟的電化學儲能方式顯得尤其重要。”
有必要指出的是，對于液流電池而言，活性物質需要簡單高產合成才能降低成本，適應大規模應用。和高電容量的甲基紫精配對后，二茂鐵/甲基紫精液流電池的電壓為1.05V，理論能量密度可以達到45.5Wh/L，高于釩液流電池。二茂鐵/甲基紫精液流電池使用中性環保的氯化鈉支持電解液以及廉價的陰離子交換膜。二茂鐵/甲基紫精液流電池在60mA/cm2電流密度長時間測試700次充放電，能量效率在61%左右，電容量保持在91%以上，電容量保持率達到99.99%每個循環。測試電流密度可以達到100mA/cm2，輸出功率可以達到120mW/cm2。
劉天驃表示：“這項新的水相有機液流電池的綜合性能是目前所報道的有機液流電池中最好的，而且這項技術的估算成本在160美元每千瓦時，很有市場應用前景。”劉天驃同時指出，這個工作還有很多要完善的地方，比如找到電容量緩慢下降的原因，使電池的循環型增加到幾千次，目前已經有了一些新的突破。
來源：中國科學報
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