哈佛研究人员发现使有机液流电池蒽醌分子“死而复生”的方法

作者：HarvardJohnA.PaulsonSchoolofEngineeringandAppliedSciences

哈佛大学的研究人员在有机液流电池上取得了多年的进展后，遇到了一个问题：为其突破性电池提供动力的有机蒽醌分子随着时间的推移会缓慢分解，从而降低电池的长期效用。

现在，由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）材料与能源技术教授迈克尔·阿齐兹（MichaelAziz）和特蕾西·赛克斯（TracySykes）以及托马斯·达德利·卡博特（ThomasDudleyCabot）化学教授和材料科学教授罗伊·戈登（RoyGordon）领导的研究人员不仅知道了分子是如何分解的，还知道了如何减轻甚至逆转这种分解。

这是一种对抗死亡的分子，在他们的论文中被称为“DHAQ”，但在实验室中被称为“僵尸奎宁”（zombiequinone），这种分子是大规模生产成本最低的分子之一。该团队的复活方法将电池的容量衰减率至少降低了40倍，同时使电池完全由低成本的化学物质组成。

这项研究发表在《美国化学学会杂志》上。

阿齐兹说：“如果有机液流电池将获得广泛的市场渗透，低批量生产成本就非常重要。因此，如果我们能利用这些技术将DHAQ的寿命延长到几十年，那么我们就有了一种成功的化学反应。”

戈登说：“这是使我们能够用间歇的可再生电力取代化石燃料的重大进步。”

自2014年以来，Aziz、Gordon和他们的团队一直致力于开发安全、经济的有机水液流电池，用于储存风能和太阳能等间歇性可再生能源的电力，并在不刮风和阳光不照射的情况下提供电力。他们的电池使用一种叫做蒽醌的分子来储存和释放能量，这种分子由天然丰富的元素组成，如碳、氢和氧。

起初，研究人员认为分子的寿命取决于电池的充放电次数，就像锂离子等固体电极电池那样。然而，在调和不一致的结果时，研究人员发现不管是使用了多少次电池，这些蒽醌在一段时间内都会缓慢分解。他们发现分解的量是基于分子的历法年龄，而不是它们被充放电的频率。

这一发现使研究人员研究了分子分解的机理。

戈登说：“我们发现，这些蒽醌分子，有两个氧原子嵌入碳环，在充电时有轻微的失去一个氧原子的倾向，变成一个不同的分子。一旦发生这种情况，就会发生连锁反应，导致储能材料的不可逆损失。”

研究人员发现了两种避免发生该连锁反应的方法。第一：让分子暴露在氧气中。研究小组发现，如果这个分子在充放电循环的正确部分暴露在空气中，它会从空气中获取氧原子，然后转变成原始的蒽醌分子，就像死而复生一样。单次实验就可以恢复70%的容量损失。

第二，研究小组发现过度充电会造成加速分解的情况。避免过充电可延长寿命40倍。

阿齐兹说：“在未来的工作中，我们需要确定这些方法的结合能在多大程度上延长电池的寿命。”

戈登说：“分解和再生机制可能与所有蒽醌有关，而蒽醌是目前公认的最有前途的液流电池有机分子。”

“这项重要的工作代表着朝着低成本、长寿命的液流电池方向的重大进步，”能源部储电项目办公室主任伊姆雷·吉乌克说。这类装置需要使电网能够吸收越来越多的绿色但可变的可再生能源发电。”