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。

由劍橋大學研究人員開發(fā)的新工具將幫助科學家設計更高效、更安全的電網(wǎng)規(guī)模儲能電池系統(tǒng)。 此外，該技術(shù)還可應用于其他類型的電池和電化學電池，以解開這些系統(tǒng)中發(fā)生的復雜反應機制，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)揮關鍵作用..

幾家公司目前正在開發(fā)用于商業(yè)應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。

劍橋大學化學系的趙文博博士說：“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)測各種電化學系統(tǒng)的廣泛潛在應用感到興奮?！?/p>

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。