讓液體在電池中流動

蘇琳

技術(shù)常常會以人們意想不到的速度快速更新，就比如10年前以iPhone為代表的智能手機(jī)還未問世時，很少有人能想到，手機(jī)能做那么多事情。然而，仍有一些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展速度，會比人們預(yù)想或期待的慢很多，比如電池。

無論是最普通的鋅錳電池，還是手機(jī)中可充電放電的鋰電池，時至今日，它們的發(fā)展仍或多或少受到成本較高、壽命短，以及安全性能較低等因素的制約。在智能手機(jī)高速發(fā)展的當(dāng)下，電池可以說也是制約這個領(lǐng)域往前更進(jìn)一步的最大障礙之一。

當(dāng)然，試圖通過新材料解決電池問題的各種技術(shù)也在不斷出現(xiàn)。就在今年2月，哈佛大學(xué)研發(fā)出了一款號稱“壽命至少十年，且無需經(jīng)常維護(hù)”的液流電池。

這款電池誕生于哈佛大學(xué)的John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的實(shí)驗室里，該科研項目由研究材料和能源技術(shù)方向的教授Michael Aziz以及化學(xué)和材料學(xué)教授Roy Gordon主導(dǎo)。

液流電池并非新技術(shù)。早在1971年，日本就有人提出了氧化還原液流電池概念；1973年，美國國家航天航空局開始了對可充放氧化還原液流電池的研究。

和傳統(tǒng)蓄電池相比，液流電池的能量轉(zhuǎn)化不再依賴固體電極，而是流動的液體。也就是說，儲存電能的任務(wù)改由液態(tài)反應(yīng)物承擔(dān)。這也意味著使用者被賦予更大自由來調(diào)節(jié)電池的性能，并降低了電池的維護(hù)成本。不過，液流電池之所以一直沒有取代傳統(tǒng)的固體電池，也是因為它存在許多缺陷，比如，其正負(fù)極電解液中的離子相互滲透會降低電池能量效率和壽命，以及電解液的毒性、材料成本等。

SEAS新聞部主管Leah Burrows對《第一財經(jīng)周刊》介紹，和以往相比，這款新型液流電池最大的突破點(diǎn)就在于，它改變了正負(fù)電解質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使它們變得可溶于水—此前的液流電池中的電解質(zhì)，則會在中性溶液中快速降解。

SEAS的研究員們發(fā)現(xiàn)造成液流電池電解質(zhì)容易降解的一個原因，是來自于其負(fù)極電解質(zhì)中的紫羅堿分子。所以，他們改變了這一分子結(jié)構(gòu)，從而提升它的抗分解能力。之后，該團(tuán)隊還對正極電解質(zhì)中的二茂鐵分子也做了改造，將這個原本不溶于水的分子變成高度溶于水的。

“二茂鐵非常適合儲存電荷，但在此之前它完全不溶于水。其他電池研究中，這一材料常常用于一些易燃且昂貴的有機(jī)溶劑中?！盨EAS教授Aziz說，“水溶性的二茂鐵代表了一種可用于液流電池的全新分子?！?/p>

此前的液流電池在多次充放電循環(huán)后，存儲能力也會下降，需要定期維護(hù)電解液。而SEAS團(tuán)隊改變正負(fù)電解質(zhì)溶液中的分子結(jié)構(gòu)這一舉動，不但能讓其可溶于水，且大大降低了充放電循環(huán)中存儲能力衰退的問題，增加了使用效率。“鋰離子電池在經(jīng)過1000次完全充放電的循環(huán)后，就離損壞不遠(yuǎn)了?！盇ziz說。據(jù)介紹，這款電池每1000次充放電循環(huán)僅損失其容量的1%。

其實(shí)，SEAS團(tuán)隊一直在嘗試各種結(jié)構(gòu)的液流電池。早在2014年，該團(tuán)隊就發(fā)明出了全球首款使用有機(jī)電解質(zhì)的有機(jī)液流電池，但當(dāng)時，他們使用的是有機(jī)分子醌類。2016年，該團(tuán)隊有了新進(jìn)展：從維生素B2中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)可用于液流電池的有機(jī)電解質(zhì)咯嗪化合物。

今年3月，美國猶他州立大學(xué)的一個團(tuán)隊也宣布研發(fā)出了一項全新的水相有機(jī)液流電池。與SEAS團(tuán)隊相似的是，他們也將目標(biāo)放在了“改變分子結(jié)構(gòu)，使其可溶于水”上。該團(tuán)隊設(shè)計出了高水溶性氨基修飾的二茂鐵作為正極電解液活性材料，甲基紫精作為負(fù)極電解液活性材料，并且將其二者溶解在氯化鈉支持的電解液中—兩個團(tuán)隊所做的研究十分相似，它們的區(qū)別只是負(fù)極電解液中分別采用了紫羅堿和甲基紫精，而這兩種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)僅相差一個甲基。

改變有機(jī)分子的原有結(jié)構(gòu)使其能夠溶解在水中，除了能增加液流電池的自身使用時長外，還有可能讓其變得更環(huán)保，以及降低成本。

“改性”后的新型液流電池的電解質(zhì)能夠溶解在pH值為中性的水溶液中—這也和我們常見的電池不同?！半娊赓|(zhì)是水溶性的，電池的安全性將大幅提高。你可以在家里的地下室放上這樣一款壽命長的電池。即使是電解液流出，灑到地板上，它也不會腐蝕物體?！盨EAS的化學(xué)和材料學(xué)教授Roy Gordon說。

另外，這個電解液完全無腐蝕性的特點(diǎn)還能降低電池中其他部件的成本，如電池容器的內(nèi)表面、液體電池中所需要的泵以及離子選擇性通過膜。目前市場上液體電池的蓄電系統(tǒng)一般包含正負(fù)極兩個儲液罐，內(nèi)裝兩種不同電解液，其間連接部分是發(fā)電區(qū)，用一個隔膜隔開。兩種電解液間隔著薄膜產(chǎn)生離子交換來實(shí)現(xiàn)電能的儲存與釋放，但其所使用的離子膜大多為價格上千元的高分子聚合物，這么做主要是為了能夠承受電池中產(chǎn)生的劇烈化學(xué)反應(yīng)。

然而，SEAS研究團(tuán)隊正是因改變了二茂鐵和紫羅堿的結(jié)構(gòu)，讓其達(dá)到完全溶于鹽水溶液中，降低了化學(xué)反應(yīng)。從而，以幾十元至幾百元的碳?xì)浠衔锎嬖械碾x子膜。

無論是哈佛大學(xué)還是猶他州立大學(xué)的研究，目前還都停留在實(shí)驗室階段，但成本的降低是一項新技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要因素。美國能源部制定的儲能計劃就要求研發(fā)一種花費(fèi)小于每千瓦時100美元的儲能電池。目前，在哈佛科技發(fā)展辦公室（OTD）的幫助下，SEAS團(tuán)隊也在和相關(guān)公司溝通，希望能借此擴(kuò)大這項技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。

目前市場上較為常見的液流電池是全釩液流電池。根據(jù)《中國能源報》的數(shù)據(jù)，2016年其成本大約為每千瓦時6000元人民幣，有研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2020年年底，它的成本還能繼續(xù)降到每千瓦時2800元至3000元人民幣—仍然有些昂貴。目前，全釩液流電池在日本住友電工、美國UniEnergy Techonologies、中國大連融科等公司已投產(chǎn)使用，主要用于儲能、電站調(diào)峰等。

但如果能更好地解決儲能、壽命及成本等等問題，液流電池的應(yīng)用領(lǐng)域肯定不僅限于工業(yè)，比如新能源汽車、家庭儲能，甚至是一些消費(fèi)電子設(shè)備上（但這可能需要重新設(shè)計設(shè)備的電池倉）。要知道，今年的日內(nèi)瓦車展上，一輛來自列支敦士登的電動汽車品牌nanoFlowcell的概念跑車，搭載的就是液流電池。