一種廣泛應(yīng)用于蠟燭中的化合物提供了一個更現(xiàn)代的能源挑戰(zhàn)的希望，儲存大量的能量在需要時被送入電網(wǎng)。

美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學(xué)家們已經(jīng)證明，低成本的有機化合物有希望儲存電網(wǎng)能源。普通芴酮，一種亮黃色的粉末，起初是一個不情愿的參與者，但有足夠的化學(xué)條件下，它已被證明是流式電池系統(tǒng)（為電網(wǎng)儲存能量的大型系統(tǒng)）儲能的有力伙伴。

這種存儲的發(fā)展是至關(guān)重要的。例如，當電網(wǎng)因惡劣天氣而斷電時，正在開發(fā)的大型電池將啟動，提高電網(wǎng)的復(fù)原力，并最大限度地減少中斷。這些電池還可以用來儲存來自風(fēng)能和太陽能的可再生能源，以便在風(fēng)平浪靜或沒有陽光的時候使用。

由美國能源部電力辦公室支持的這項研究的細節(jié)，發(fā)表在5月21日的《科學(xué)》雜志上。

能源部電力辦公室儲能主任ImreGyuk說："液流電池技術(shù)是能源部在未來十年內(nèi)降低電網(wǎng)儲能成本目標的一個關(guān)鍵部分。"進展迅速，成本已大幅下降，但還需要進一步研究，以使電網(wǎng)規(guī)模的儲能廣泛使用。"

用于電網(wǎng)的液流電池：走向有機

科學(xué)家們在創(chuàng)造更好的電池方面取得了巨大的進步--以更低的成本儲存更多的能量，并且比以前的時間更長。其結(jié)果觸及我們生活的許多方面，轉(zhuǎn)化為更有彈性的電網(wǎng)、更持久的筆記本電池、更多的電動汽車，以及更多地使用來自吹來的風(fēng)、閃耀的太陽或流動的水的可再生能源。

對于電網(wǎng)規(guī)模的電池來說，確定正確的材料并將它們結(jié)合起來創(chuàng)造一個新的儲能配方，是世界利用和儲存可再生能源能力的關(guān)鍵一步。最廣泛使用的電網(wǎng)規(guī)模的電池使用鋰離子技術(shù)，但這些電池很難以對電網(wǎng)最有用的方式進行瞬間定制，而且存在安全問題。氧化還原液流電池是一個不斷增長的替代品；然而，大多數(shù)使用釩，而釩是昂貴的，不容易獲得，而且容易受到價格波動的影響。這些特點對廣泛的電網(wǎng)規(guī)模的能源儲存構(gòu)成了障礙。

液流電池的替代材料包括有機分子，它們比釩更容易獲得、更環(huán)保、更便宜。但是，有機物還不能很好地滿足液流電池技術(shù)的要求，通常比要求的速度更快。分子的長期穩(wěn)定性是很重要的，這樣它們就能在許多年內(nèi)保持其進行化學(xué)反應(yīng)的能力。

這些有機材料是由最常見的材料--碳、氫和氧組成的，PNNL的科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)流動電池團隊的王偉說："他們很容易獲得，不需要像釩這樣的物質(zhì)那樣被開采。這使得它們對電網(wǎng)規(guī)模的能源儲存非常有吸引力。"

在《科學(xué)》論文中，Wang的團隊證明了低成本的有機芴酮，令人驚訝的是，它不僅是一個可行的候選者，而且在涉及能源儲存時表現(xiàn)突出。

在模仿現(xiàn)實世界條件的實驗室測試中，PNNL的電池連續(xù)運行了120天，只有在與電池本身無關(guān)的其他設(shè)備磨損時才結(jié)束。該電池經(jīng)歷了1111個完整的充電和放電周期--相當于在正常情況下運行數(shù)年--并且損失了不到3%的能量容量。其他基于有機的液流電池的運行時間要短得多。

該團隊創(chuàng)造的液流電池只有大約10平方厘米，大約是一張大郵票的大小，并發(fā)出大約500毫瓦的功率，甚至不足以為手機攝像頭供電。但是這個微小的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了巨大的前景：它的能量密度是目前使用的釩電池的兩倍以上，而且它的化學(xué)成分價格低廉，持久耐用，可以廣泛使用。

分子工程使芴酮發(fā)生逆轉(zhuǎn)

這項技術(shù)的發(fā)展得益于一組科學(xué)家，包括第一作者馮若珠、技術(shù)負責人張欣等人。

PNNL的科學(xué)家在開發(fā)今天使用的釩基流動電池方面發(fā)揮了重要作用。幾年前，由于有機分子的廣泛應(yīng)用和低成本，研究小組將注意力轉(zhuǎn)向了有機分子。2018年，張加入了這個團隊，作為對儲能材料進行調(diào)整的一部分，他從之前的LED研究中獲得了對芴酮的深入了解。

芴酮也被用于太陽能電池板、治療瘧疾的藥物和蠟燭中，使它們散發(fā)出令人愉快的氣味。它價格低廉，是煤焦油和苯甲酸（一種常見的食品添加劑）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物。

張把他的注意力集中在芴酮作為水性（水基）流動電池的關(guān)鍵不問，但也存在障礙。首先，這種分子的水溶性不夠。分子在水溶液中沒有表現(xiàn)出氧化還原可逆性；也就是說，科學(xué)家們還沒有證明它既能很容易地接受電子，又能提供電子，這是流動電池的兩個相輔相成的強制性步驟。

馮創(chuàng)造了一系列復(fù)雜的化學(xué)步驟，王稱之為“分子工程”——將芴酮轉(zhuǎn)化為氧化還原可逆的水溶性化合物。對于芴酮來說，這一過程的一部分很容易實現(xiàn)：在一個稱為還原的過程中獲得一個電子。但是，在合適的化學(xué)條件下，這一過程的另一半發(fā)生了氧化，失去了一個電子，從而使這一過程可逆并適合于儲能。

出乎意料的是，馮發(fā)現(xiàn)芴酮進行可逆反應(yīng)的能力取決于它的濃度更多的物質(zhì)溶解在水中使可逆性成為可能。科學(xué)家以前從未在有機分子上見過這種現(xiàn)象。

這是一個偉大的示范，利用分子工程改變一種材料，從一個普遍認為不可能使用到一些有用的能源儲存，王說這開辟了我們可以探索的重要的化學(xué)新空間。

研究小組還增加了芴酮在水中的溶解度，從幾乎0到1.5摩爾每升，這取決于對化合物的修飾。水基液流電池的溶解度至關(guān)重要；這種物質(zhì)在水中溶解得越多，就越有可能成為電池核心電子交換的化學(xué)伙伴。

PNNL正在鼓勵基于芴酮的水性氧化還原液流電池的商業(yè)化，作為第一步，已經(jīng)申請了這項創(chuàng)新的專利。

流動電池方面的工作是PNNL開發(fā)和測試電網(wǎng)規(guī)模儲能新技術(shù)大型項目的一部分。今年早些時候，PNNL被選為GridStorageLaunchpad的所在地。GridStorageLaunchpad是美國能源部電力辦公室（DOE'sOfficeofelectronic）創(chuàng)建的一個設(shè)施，旨在加速大型網(wǎng)格電池的開發(fā)和測試。一個主要目標是增加現(xiàn)成材料的使用，降低成本，使可再生能源的儲存時間更長。