新的工具為大規(guī)模儲存可再生能源指明了前進的道路

一項基于MRI原理的技術(shù)使研究人員不僅能夠觀察下一代電池如何用于大規(guī)模儲能，而且還能觀察它們是如何失效的，這將有助于制定延長電池壽命的策略，以支持向零碳未來的過渡。

由劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)的新工具將幫助科學(xué)家設(shè)計更高效、更安全的電網(wǎng)規(guī)模儲能電池系統(tǒng)。 此外，該技術(shù)還可應(yīng)用于其他類型的電池和電化學(xué)電池，以解開這些系統(tǒng)中發(fā)生的復(fù)雜反應(yīng)機制，并檢測和診斷故障。

研究人員測試了他們在有機氧化還原流動電池上的技術(shù)，有希望將足夠的可再生能源儲存到城鎮(zhèn)和城市，但這些技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中降解得太快。 研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在較低的電壓下給電池充電，它們能夠顯著減緩電池的降解速度，延長電池的壽命。 結(jié)果在“自然”雜志上報道。

電池是從以化石燃料為基礎(chǔ)的能源過渡的重要組成部分。 如果沒有能夠進行電網(wǎng)規(guī)模存儲的電池，僅使用可再生能源將無法為經(jīng)濟提供動力。 鋰離子電池，雖然適合消費電子產(chǎn)品，但不容易擴大到足夠的大小，以儲存足夠的能源，為整個城市供電，例如。 鋰離子電池中的易燃材料也會造成潛在的安全隱患.. 電池越大，如果著火可能造成的潛在損害就越大。

氧化還原流動電池是解決這一技術(shù)難題的一個可能方法。 它們由兩個電解質(zhì)液體儲罐組成，一個是正的，一個是負的，可以通過增加儲罐的尺寸來擴大，使它們非常適合可再生能源儲存。 這些房間大小的，甚至是建筑物大小的，不可燃的電池可能在未來的綠色能源電網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用..

幾家公司目前正在開發(fā)用于商業(yè)應(yīng)用的氧化還原流動電池，其中大多數(shù)使用釩作為電解質(zhì).. 然而，釩是昂貴和有毒的，因此電池研究人員正在努力開發(fā)一種基于有機材料的氧化還原流動電池，這種電池更便宜，更可持續(xù).. 然而，這些分子往往會迅速降解。

劍橋大學(xué)化學(xué)系的趙文博博士說：“由于有機分子往往會很快分解，這意味著大多數(shù)電池作為電解質(zhì)不會持續(xù)很長時間，因此它們不適合商業(yè)應(yīng)用。 “雖然我們知道這一點已經(jīng)有一段時間了，但我們并不總是明白為什么會發(fā)生這種。”

現(xiàn)在，趙和他在劍橋Clare Grey教授的研究小組的同事，以及來自英國、瑞典和西班牙的合作者，已經(jīng)開發(fā)了兩種新的技術(shù)來研究有機氧化還原流動電池內(nèi)部，以了解為什么電解質(zhì)會分解并提高其性能。

利用“實時”核磁共振(NMR)研究，一種功能的“電池核磁共振”，以及格雷教授小組開發(fā)的方法，研究人員能夠讀取來自有機分子的共振信號，無論是在它們的原始狀態(tài)還是在它們降解成其他分子時。 這些關(guān)于氧化還原流動電池中降解和自放電的“操作”核磁共振研究提供了對反應(yīng)內(nèi)部潛在機制的見解，例如溶液中不同氧化還原活性物種之間的自由基形成和電子轉(zhuǎn)移。

格雷說：“有機氧化還原流動電池的原位機理研究很少，這種系統(tǒng)目前受到降解問題的限制。” “如果我們要在這一領(lǐng)域取得進展，我們需要了解這些系統(tǒng)是如何運作的，以及它們是如何失敗的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，有機分子往往降解得更快。 趙說：“如果我們通過在較低的電壓下充電來改變充電條件，電解液就會持續(xù)更長的時間。” “我們還可以改變有機分子的結(jié)構(gòu)，使它們降解得更慢。 我們現(xiàn)在更好地理解為什么電荷條件和分子結(jié)構(gòu)重要。

研究人員現(xiàn)在希望將他們的核磁共振裝置應(yīng)用于其他類型的有機氧化還原流動電池，以及其他類型的下一代電池，如鋰空氣電池。

格雷說：“我們對這種方法在操作過程中監(jiān)測各種電化學(xué)系統(tǒng)的廣泛潛在應(yīng)用感到興奮。”

例如，核磁共振技術(shù)將用于開發(fā)一種便攜式電池“健康檢查”裝置，以診斷其狀況。

趙說：“使用這種裝置，可以檢查有機氧化還原流動電池中電解液的狀況，必要時更換?！?“由于這些電池的電解質(zhì)價格低廉，無毒，這將是一個相對簡單的過程，延長這些電池的壽命。