蘇琳

技術常常會以人們意想不到的速度快速更新，就比如10年前以iPhone為代表的智能手機還未問世時，很少有人能想到，手機能做那么多事情。然而，仍有一些領域的技術發(fā)展速度，會比人們預想或期待的慢很多，比如電池。

無論是最普通的鋅錳電池，還是手機中可充電放電的鋰電池，時至今日，它們的發(fā)展仍或多或少受到成本較高、壽命短，以及安全性能較低等因素的制約。在智能手機高速發(fā)展的當下，電池可以說也是制約這個領域往前更進一步的最大障礙之一。

當然，試圖通過新材料解決電池問題的各種技術也在不斷出現(xiàn)。就在今年2月，哈佛大學研發(fā)出了一款號稱“壽命至少十年，且無需經常維護”的液流電池。

這款電池誕生于哈佛大學的John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的實驗室里，該科研項目由研究材料和能源技術方向的教授Michael Aziz以及化學和材料學教授Roy Gordon主導。

液流電池并非新技術。早在1971年，日本就有人提出了氧化還原液流電池概念；1973年，美國國家航天航空局開始了對可充放氧化還原液流電池的研究。

和傳統(tǒng)蓄電池相比，液流電池的能量轉化不再依賴固體電極，而是流動的液體。也就是說，儲存電能的任務改由液態(tài)反應物承擔。這也意味著使用者被賦予更大自由來調節(jié)電池的性能，并降低了電池的維護成本。不過，液流電池之所以一直沒有取代傳統(tǒng)的固體電池，也是因為它存在許多缺陷，比如，其正負極電解液中的離子相互滲透會降低電池能量效率和壽命，以及電解液的毒性、材料成本等。

SEAS新聞部主管Leah Burrows對《第一財經周刊》介紹，和以往相比，這款新型液流電池最大的突破點就在于，它改變了正負電解質的分子結構，使它們變得可溶于水—此前的液流電池中的電解質，則會在中性溶液中快速降解。

SEAS的研究員們發(fā)現(xiàn)造成液流電池電解質容易降解的一個原因，是來自于其負極電解質中的紫羅堿分子。所以，他們改變了這一分子結構，從而提升它的抗分解能力。之后，該團隊還對正極電解質中的二茂鐵分子也做了改造，將這個原本不溶于水的分子變成高度溶于水的。

“二茂鐵非常適合儲存電荷，但在此之前它完全不溶于水。其他電池研究中，這一材料常常用于一些易燃且昂貴的有機溶劑中?！盨EAS教授Aziz說，“水溶性的二茂鐵代表了一種可用于液流電池的全新分子。”

此前的液流電池在多次充放電循環(huán)后，存儲能力也會下降，需要定期維護電解液。而SEAS團隊改變正負電解質溶液中的分子結構這一舉動，不但能讓其可溶于水，且大大降低了充放電循環(huán)中存儲能力衰退的問題，增加了使用效率?！颁囯x子電池在經過1000次完全充放電的循環(huán)后，就離損壞不遠了?！盇ziz說。據(jù)介紹，這款電池每1000次充放電循環(huán)僅損失其容量的1%。

其實，SEAS團隊一直在嘗試各種結構的液流電池。早在2014年，該團隊就發(fā)明出了全球首款使用有機電解質的有機液流電池，但當時，他們使用的是有機分子醌類。2016年，該團隊有了新進展：從維生素B2中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)可用于液流電池的有機電解質咯嗪化合物。

今年3月，美國猶他州立大學的一個團隊也宣布研發(fā)出了一項全新的水相有機液流電池。與SEAS團隊相似的是，他們也將目標放在了“改變分子結構，使其可溶于水”上。該團隊設計出了高水溶性氨基修飾的二茂鐵作為正極電解液活性材料，甲基紫精作為負極電解液活性材料，并且將其二者溶解在氯化鈉支持的電解液中—兩個團隊所做的研究十分相似，它們的區(qū)別只是負極電解液中分別采用了紫羅堿和甲基紫精，而這兩種物質的分子結構僅相差一個甲基。

改變有機分子的原有結構使其能夠溶解在水中，除了能增加液流電池的自身使用時長外，還有可能讓其變得更環(huán)保，以及降低成本。

“改性”后的新型液流電池的電解質能夠溶解在pH值為中性的水溶液中—這也和我們常見的電池不同?！半娊赓|是水溶性的，電池的安全性將大幅提高。你可以在家里的地下室放上這樣一款壽命長的電池。即使是電解液流出，灑到地板上，它也不會腐蝕物體?！盨EAS的化學和材料學教授Roy Gordon說。

另外，這個電解液完全無腐蝕性的特點還能降低電池中其他部件的成本，如電池容器的內表面、液體電池中所需要的泵以及離子選擇性通過膜。目前市場上液體電池的蓄電系統(tǒng)一般包含正負極兩個儲液罐，內裝兩種不同電解液，其間連接部分是發(fā)電區(qū)，用一個隔膜隔開。兩種電解液間隔著薄膜產生離子交換來實現(xiàn)電能的儲存與釋放，但其所使用的離子膜大多為價格上千元的高分子聚合物，這么做主要是為了能夠承受電池中產生的劇烈化學反應。

然而，SEAS研究團隊正是因改變了二茂鐵和紫羅堿的結構，讓其達到完全溶于鹽水溶液中，降低了化學反應。從而，以幾十元至幾百元的碳氫化合物代替原有的離子膜。

無論是哈佛大學還是猶他州立大學的研究，目前還都停留在實驗室階段，但成本的降低是一項新技術實現(xiàn)商業(yè)化的重要因素。美國能源部制定的儲能計劃就要求研發(fā)一種花費小于每千瓦時100美元的儲能電池。目前，在哈佛科技發(fā)展辦公室（OTD）的幫助下，SEAS團隊也在和相關公司溝通，希望能借此擴大這項技術在工業(yè)中的應用。

目前市場上較為常見的液流電池是全釩液流電池。根據(jù)《中國能源報》的數(shù)據(jù)，2016年其成本大約為每千瓦時6000元人民幣，有研究機構預測，到2020年年底，它的成本還能繼續(xù)降到每千瓦時2800元至3000元人民幣—仍然有些昂貴。目前，全釩液流電池在日本住友電工、美國UniEnergy Techonologies、中國大連融科等公司已投產使用，主要用于儲能、電站調峰等。

但如果能更好地解決儲能、壽命及成本等等問題，液流電池的應用領域肯定不僅限于工業(yè)，比如新能源汽車、家庭儲能，甚至是一些消費電子設備上（但這可能需要重新設計設備的電池倉）。要知道，今年的日內瓦車展上，一輛來自列支敦士登的電動汽車品牌nanoFlowcell的概念跑車，搭載的就是液流電池。