美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家们利用淀粉衍生添加剂β-环糊精，成功地将液流电池的容量和寿命提高了60%，这是一项开创性的实验，可能会重塑大规模储能的未来。
糖添加剂起着惊人的作用，提高液流电池的容量和效率这种网格能量弹性设计的灵活性。
来自美国能源部太平洋西北国家实验室的一组研究人员表示美国国家实验室(PNNL)在液流电池设计方面取得了重大突破，使用了一种常见的食品和药品添加剂——β-环糊精，这种添加剂是从淀粉中提取的。这项发表在《焦耳》杂志上的研究表明，液流电池的能量储存和释放能力保持了一年多nstant骑车。
在一项创纪录的实验中，一种常见的食品和药品添加剂表明，它可以提高下一代液流电池的容量和寿命。
来自美国能源部太平洋西北国家实验室的一个研究小组报告说，液流电池是一种针对电网储能进行优化设计的电池，在持续充放电的情况下，其储存和释放能量的能力可以保持一年多。
液流电池研究人员冯若珠(Ruozhu Feng)与一种长效网格能源电池的成分合影。资料来源:太平洋西北国家实验室的安德里亚·斯塔尔
这项刚刚发表在《焦耳》(Joule)杂志上的研究详细介绍了首次使用一种名为β-环糊精的溶解单糖(淀粉的衍生物)来延长电池的寿命和容量。在一系列的实验中，科学家们优化了系统中化学物质的比例，直到它的峰值功率提高了60%。然后，他们在一年多的时间里反复循环电池，直到塑料管失效时才停止实验。在这段时间里，液流电池几乎没有失去任何充电的活性。这是第一个实验室规模的液流电池实验，报告了超过一年的连续使用，容量损失最小。
β-环糊精添加剂也是第一种加速电化学反应的添加剂，这种电化学反应储存并释放液流电池的能量，这一过程被称为均相催化。这意味着糖溶解在溶液中起作用，而不是作为固体涂在表面上。
“这是一种开发液流电池电解质的全新方法，”长期从事PNNL电池研究的王伟(音译)说，他也是这项研究的首席研究员。“我们证明，你可以使用一种完全不同类型的催化剂来加速能量转换。此外，由于它溶解在液体电解质中，因此消除了固体析出和污染系统的可能性。”
液流电池提供持久的、可充电的能量储存，特别是对电网的可靠性。与固态电池不同，液流电池将能量储存在液体电解质中，如图中黄色和蓝色所示。PNNL的研究人员开发了一种廉价而有效的新型液流电池，该电池使用一种称为β-环糊精(粉红色)的单糖衍生物来加速化学反应，将储存在化学键(紫色到橙色)中的能量转化为能量，释放能量(电子)，为外部电路供电。正极阴极溶液中的平行可逆过程(红-绿)在充电和放电过程中平衡正负电荷。图片来源:太平洋西北国家实验室Sara Levine制作的动画
什么是液流电池?
顾名思义，液流电池由两个腔室组成，每个腔室装满不同的液体。电池通过电化学反应充电，并以化学键的形式储存能量。当连接到外部电路时，它们释放能量，为电子设备供电。液流电池与固态电池的不同之处在于，液流电池有两个外部的供液罐，供液罐中不断循环的液体来供应电解质，这就像系统的“血液供应”。电解液供给槽越大，液流电池能储存的能量就越多。
如果它们被放大到一个足球场或更大的大小，液流电池可以作为电网的备用发电机。液流电池是从可再生能源中储存能量的脱碳战略的关键支柱之一。它们的优势在于，它们可以在任何规模上建造，从实验室规模(如PNNL的研究)到一个城市街区的大小。
为什么我们需要新型液流电池?
大规模的能源储存提供了一种防止电网中断的保险政策。当恶劣的天气或高需求阻碍家庭和企业的电力供应时，储存在大型液流电池设施中的能量可以帮助最大限度地减少中断或恢复服务。随着发电越来越多地来自风能、太阳能和水力发电等可再生能源，预计对这些液流电池设施的需求只会增长。像这样的间歇性电源需要一个地方来储存能量，直到需要满足消费者的需求。
虽然有许多液流电池设计和一些商业装置，但现有的商业设施依赖于开采的矿物，如钒，价格昂贵且难以获得。这就是为什么研究团队正在寻找有效的替代技术，使用更容易合成、稳定且无毒的普通材料。
研究人员准备了一种实验液流电池电解质，在实验室环境中显示出长寿命。资料来源:太平洋西北国家实验室的安德里亚·斯塔尔
“我们不能总是在地球上挖掘新材料，”美国能源部电力办公室储能研究主任Imre Gyuk说。“我们需要开发一种可持续的方法，使用我们可以大量合成的化学品，就像制药和食品工业一样。”
液流电池的研究是PNNL一个大型项目的一部分，该项目旨在开发和测试电网规模储能新技术，随着2024年PNNL电网储能发射台的开放，该项目将加速发展。
一种良性的“糖水”会使锅变甜，从而形成有效的液流电池
开发这种新电池设计的PNNL研究团队包括具有有机和化学合成背景的研究人员。当团队选择使用尚未用于电池研究但已经用于其他工业用途的材料时，这些技能就派上了用场。
“我们一直在寻找一种简单的方法，在我们的水基电解质中溶解更多的芴醇，”这项新研究的第一作者冯若珠说。“β-环糊精适度地帮助了这一点，但它真正的好处是这种令人惊讶的催化能力。”
研究人员随后与耶鲁大学的莎伦·哈梅斯-希弗(Sharon Hammes-Schiffer)合作，解释了催化作用背后的化学反应的主要权威，来解释它是如何工作的。
正如研究中所描述的那样，糖添加剂接受带正电的质子，这有助于平衡电池放电时负电子的运动。细节有点复杂，但这就像糖让锅变甜，让其他化学物质完成它们的化学舞蹈。
这项研究是pnnl获得专利的液流电池设计的下一代，该设计于2021年首次在《科学》杂志上发表。在那里，研究人员展示了另一种常见的化学物质，称为芴酮，是一种有效的液流电池成分。但最初的突破需要改进，因为与商业化的液流电池技术相比，这个过程很慢。研究人员说，这一新的进展使电池设计成为扩大规模的候选产品。
与此同时，研究小组正在通过实验其他类似于β-环糊精但更小的化合物来进一步改进该系统。和蜂蜜一样，β-环糊精的加入也会使液体变稠，这对于流动的系统来说不是很理想。尽管如此，研究人员发现它的好处大于缺点。
参考文献:“高容量酮基液流电池阳极液的质子调控酒精氧化”，作者:冯若竹，陈颖，张欣，Benjamin J.G. Rousseau，高培元，陈平，Sebastian T. Mergelsberg，钟立荣，Aaron Hollas，梁阳刚，Vijayakumar Murugesan，黄倩，Eric Walter, Sharon Hammes-Schiffer，邵玉燕，王伟，2023年7月6日，焦耳。DOI: 10.1016 / j.joule.2023.06.013
了解新型液流电池设计内部发生的复杂化学反应需要许多科学家的专业知识，除了冯和王之外，还包括PNNL的陈颖、张欣、高培元、陈平、Sebastian Mergelsberg、钟立荣、Aaron Hollas、Lian Yangang、Vijayakumar Murugesan、黄倩、Eric Walter和邵玉岩，以及耶鲁大学的Benjamin j.g. Rousseau和Hammes-Schiffer。
研究小组已经为他们的新电池设计申请了美国专利保护。
这项研究得到了美国能源部电力办公室通过其能源存储计划和PNNL能源存储材料倡议的内部研究投资的支持。分子电催化中心是一个能源前沿研究中心，由美国能源部基础能源科学办公室资助，该中心支持数学计算来解释电池容量的提高。额外的辅助计算和成像研究在环境分子科学实验室进行，该实验室是位于PNNL的国家科学用户设施。
