近日，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）王伟博士、研究员冯若珠领导的团队获得突破，开发了一种基于糖分子的液流电池，具有低成本、高效率、长寿命和环境友好等特点，或解决可再生能源的局限性，促进清洁能源的普及和利用。这项研究发表在6月的《Joule》杂志上。

液流电池是一种可充放电的电化学装置，它将活性物质储存在液体电解质中，通过泵送电解质到电池单元来实现充放电过程。液流电池的原理如下图所示：

在放电过程中，正极液和负极液分别被泵送到电池单元的两侧，通过一个隔膜或膜片分开。隔膜或膜片可以允许离子通过，但阻止电解质混合。在电池单元中，正极液中的氧化剂在正极上失去电子，负极液中的还原剂在负极上得到电子，从而形成一个闭合的电路。在充电过程中，外部电源向电池单元施加一个反向的电压，使得氧化剂和还原剂恢复到初始状态，并被泵送回各自的罐子中。

液流电池的特点是可以独立调节功率和能量密度，可以适应不同的应用场景。功率取决于电池单元的面积和数量，而能量取决于储存罐的容积和浓度。这意味着可以根据需要增加或减少储存罐的大小和数量，而不影响功率输出，这样就可以实现大规模、长时间、灵活的储能功能。

液流电池是一种新型的储能技术，和传统电池不同的是，它将电能储存在液体中，通过泵送液体到电池单元来实现充放电过程。也就是说，它可以把电能存储在电池的外部水箱，通过更换电解质来快速充电，这就可以把电池做成异常巨大的规模，甚至做到足球场大小也不在话下，对于储存风能和太阳能等间歇性可再生能源具有非常重要的意义。

  • 为什么要用糖分子？

目前市场上主要使用的液流电池是基于钒或锌溴化物等金属离子作为活性物质的，具有高能量密度和高稳定性的特点，但也有一些缺点，例如成本高、供应不稳定、环境影响大等，影响了其大规模应用。

王伟博士领导的团队选择了一种叫做β-环糊精（β-Cyclodextrin）的糖分子作为活性物质，这是一种从淀粉中提炼的单糖，将其加入到液流电池的阳极液中后，可与酮类分子（如芴酮）形成包合物，这种包合物可以接受正电荷的质子，从而催化酮类分子的氧化反应，提高电子转移的效率。

由于β-环糊精的作用是一种均相催化，即在溶液中发挥催化作用，而不是固定在电极表面，这样可以避免催化剂脱落或堵塞电池系统，从而显著提高了液流电池的峰值功率、容量和循环寿命。在优化了电池系统中化学物质的比例后，科学家们实现了比现有方法高 60% 的峰值功率，而且在长达一年多的充放电循环后，也没有看到明显的性能衰减。

  • 这项突破可能带来什么应用和重要意义？

使用糖分子作为储能介质的液流电池是一种新型的储能技术，它可能会为储能领域带来革命性的变化，解决可再生能源的局限性，促进清洁能源的普及和利用。

  • 提高可再生能源的利用效率和稳定性。由于可再生能源如风能和太阳能的供应是间歇性的，需要大规模的储能系统来平衡供需和维持电网的稳定。使用糖分子作为储能介质的液流电池可以提供大规模、长时间、灵活的储能功能，可以与现有的可再生能源系统相结合，提供可靠和廉价的储能方案。

  • 促进绿色经济和可持续发展。使用糖分子作为储能介质的液流电池可以利用植物或其他可再生资源作为原料，减少对稀有金属和化石燃料的依赖，降低碳排放和污染。同时，使用这种技术可以增加对可再生能源的需求和投资，推动绿色产业的发展和创新。
  • 增强电力系统的灵活性和可靠性。使用糖分子作为储能介质的液流电池可以提供多种电力服务，例如负荷平衡、频率调节、峰值削减、备用电源等。这些服务可以提高电力系统的运行效率和安全性，应对突发事件和紧急情况，保障电力供应的质量和稳定性。

王伟博士的研究为我们提供了一种新型的储能技术，对于实现能源转型和应对气候变化具有重要的意义，不过这项技术目前还处于研究和开发阶段，需要进一步优化结构和性能，并探索其他类型的糖分子作为活性物质。如果能够克服技术和市场上的难题，这项技术可能会在未来几年内实现商业化应用，为我们的生活带来更多的便利和福祉。

论文：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.06.013