液流电池的研究现状是怎样的

近日，科学杂志发文对液流电池研究现状进行了简述。液流电池可以储存足够电力，为成千上万家庭提供长达数小时的电力供应。但大多数液流电池依赖于钒，这是一种稀有昂贵的金属。上周，有研究人员报道了用一种廉价、长寿命、安全的液流电池来解决这一问题。这项工作为液流电池的新发展带来了希望，即作为新一代液流电池有可能很快将成为大规模部署风能和太阳能的有力支柱。

我们知道，锂离子电池不仅在笔记本电脑和特斯拉汽车中广泛使用，还可为医院、办公场所甚至城镇提供备用电源，占得了储能领域的先机。但是，美国康涅狄格州东哈特福德联合技术研究中心电化学能源系统副主任迈克尔·佩里说，锂离子储能装置不能很好地扩展到为城市提供更大规模储能备用电源，但液流电池能够填补这一空缺。它们将电荷储存在含有液体电解质的容器中，液体电解质在循环泵的作用下，可以实现流转以形成电流，实现放电；用过的电解质随后再返回到容器中。当太阳能电池板或风力发电机工作时，循环泵将用完的电解质推回电极，在那里，电解质被再充电并返回到存储罐。

钒液流电池在过去广受研究者关注，因为这种电池的充电和放电可以可靠地进行数千次循环。例如，大连的融科储能正在建设世界上最大的钒流电池，该电池应该在2020年投入使用。电池将储存800兆瓦的能量，足以为成千上万的家庭供电。市场研究公司MarketsandMarkets表示，由钒电池和锌溴主导的液流电池市场在未来5年内每年可能增长近10亿美元。但近年来钒的价格有所上升，如果钒需求飙升，钒液流电池价格也会水涨船高。为此，有研究者想用有机化合物取代钒，这些有机化合物也能捕获和释放电子。洛根犹他州立大学液流电池专家TianbiaoLiu说，有机分子可以精确地定制以满足研究者的需求。但有机物往往会降解，几个月后需要更换，而且一些化合物只与强酸性或碱性电解质一起工作，这些电解质会侵蚀泵，如果罐子泄漏，危险性就可能爆发。今年7月，哈佛大学材料科学家迈克尔·阿齐兹领导的一个研究小组在国际知名期刊Joule上发文称，他们已经设计出一种长寿的有机分子，这种分子每年只损失其电荷承载能力的3%。虽然这还不够稳定，但是与以往每天损失相同数量的有机液流电池相比，这项工作是一个很大的飞跃。

铁基电解质廉价且易于获取和失去电子，是另一种钒电池电解质替代物。例如，在美国俄勒冈州波特兰有一家名字为EES的公司，他们开发的铁液流电池电解液可在pH1到4之间工作，酸度类似于醋。现在，TianbiaoLiu和他的同事们提出了在中性pH下工作的液流电池。他们首先研究了一种含铁的电解液，亚铁氰化物。但是在以前的亚铁氰化物电池中，电解质需要溶解在含有钠盐或钾盐的水溶液中，这些盐提供带正电荷的离子，离子在电池中移动，以在充电和放电期间平衡电子的运动。亚铁氰化物在这些盐溶液中不易溶解，限制了这种电池的蓄电能力。因此，TiaobianLiu和他的同事又用一种叫做铵的氮基化合物来代替钠盐或钾盐，使得亚铁氰化物溶解量至少是以前的两倍，从而让电池的容量翻倍。在上周的Joule杂志上，TiaobianLiu等人报道说，他们的铁基有机液流电池在一千次充放电循环后没有退化的迹象，相当于大约连续运行3年时间。由于所使用电解质是中性且是水基的，即使泄漏也不会对环境造成太大损害。

此外，在今年10月10日出版的自然化学杂志上，英国格拉斯哥大学的化学家勒罗伊·克罗宁等人报道了一种多金属氧酸盐液流电池，其储电量是同体积钒电池的40倍。但目前的缺点是这些电解质粘性过高，因此对于泵的输送要求极高。直至今天，还没有一种电池能满足所有要求，也就是说液流电池的研发仍要继续努力！