科学家研制出高性能水相有机液流电池

美国犹他州立大学教授刘天骠团队日前设计开发了一项全新的水相有机液流电池。这项工作使用简单高效的合成方法得到了高性能的有机分子液流电池材料，从而使有机液流电池的实用性前景进一步明朗。这一成果近期发表在《美国化学会志》上。

人们日常生活的能源90%以上来源于化石能源，比如石油、煤和天然气。然而化石能源储备有限，开采和燃烧后释放大量的二氧化碳和其他有害气体造成环境问题。如果尽可能地使用可再生能源，比如太阳能和风能，不仅能达到环保的效果，还可带来巨大的经济效益。

然而太阳能和风能的能量强度不稳定。为了把不稳定可再生能源转化为稳定的可利用能源，能源储存就显得非常重要。电化学储能是各国政府、学术界、工业界都推崇的一种有效储能方式。在各种电化学储能策略中，相对于静态电池，液流电池有几个特别的技术优点，最适于大规模（兆瓦/兆瓦时）的电化学能源储存（比如相对独立的能量和功率控制）、大电流大功率运行（响应快）、安全性能高（不易燃烧和爆炸）等。

然而包括钒液流电池以及锌溴液流电池在内的传统液流电池技术也存在一些技术缺陷，比如因活性物质在电极间的穿梭效应导致的自放电以及库伦效率低；腐蚀性电解液不环保以及由此产生的安全隐患。钒液流电池的成本大概是450美元每千瓦时，美国能源部推荐的电化学储能的普及价格要在150美元每千瓦时以下，这就意味着需要开发高性能、经济适用的全新液流电池技术。

为了克服传统液流电池的缺陷，一个热点研究方向就是在液流电池中使用电化学活性的有机分子代替传统无机电活性物质。电化学活性的有机分子在其他领域已有广泛应用，很多成熟的有机分子可以使用到液流电池中。有机分子制备较容易，可以大规模低成本生产，而且可塑性强，可以通过合成以及改性设计出需要的功能，比如高电位、高溶解性以及与电池隔膜的高兼容性。

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在这项新的研究中，刘天骠团队开发的这种水相有机液流电池以水溶性的二茂铁作为正极电解液活性材料，甲基紫精作为负极电解液活性材料，因而称之为二茂铁/甲基紫精液流电池。该工作是对先前刘天骠的甲基紫精液流电池工作的延伸。

二茂铁是非常稳定的电化学活性分子，且没有任何水溶性。这项工作的重点在于利用分子设计开发的高水溶性氨基修饰的二茂铁，可以达到4M的水溶性，在2M的氯化钠支持电解液的溶解性也达到了3M，对应的理论电容量分别是107.2Ah/L和80.4Ah/L。这类氨基二茂铁非常容易合成，实验室合成规模在100克，产率在95%以上。

刘天骠说：“这项成果的主要前景是大规模储能和家庭储能应用。现在太阳能和风能的普及越来越快，随着很多社区住户的房顶安装了太阳能板，高效经济的电化学储能方式显得尤其重要。”

有必要指出的是，对于液流电池而言，活性物质需要简单高产合成才能降低成本，适应大规模应用。和高电容量的甲基紫精配对后，二茂铁/甲基紫精液流电池的电压为1.05V，理论能量密度可以达到45.5Wh/L，高于钒液流电池。二茂铁/甲基紫精液流电池使用中性环保的氯化钠支持电解液以及廉价的阴离子交换膜。二茂铁/甲基紫精液流电池在60mA/cm2电流密度长时间测试700次充放电，能量效率在61%左右，电容量保持在91%以上，电容量保持率达到99.99%每个循环。测试电流密度可以达到100mA/cm2，输出功率可以达到120mW/cm2。

刘天骠表示：“这项新的水相有机液流电池的综合性能是目前所报道的有机液流电池中最好的，而且这项技术的估算成本在160美元每千瓦时，很有市场应用前景。”刘天骠同时指出，这个工作还有很多要完善的地方，比如找到电容量缓慢下降的原因，使电池的循环型增加到几千次，目前已经有了一些新的突破。