哈佛大学的一支科学家和工程师团队展示了一种可充电电池，它可以让来自太阳能和风能等间歇性可用能源的电力储存变得既安全又具有成本效益，适用于住宅和商业用途。 这项新研究建立在 同一团队成员早先工作的基础上，该工作可能使电网层面的电力储存更加便宜、更加可靠。
在这款新电池中，电子由溶解于水中的化合物捕获和释放，这些化合物由价格低廉、地球上储量丰富的元素（碳、氧、氮、氢、铁和钾）组成。这些化合物无毒、不可燃且广泛可得，使其比其他电池系统更安全、更便宜。
“这是一种我很乐意放进自家地下室的化学物质，” 迈克尔·J·阿齐兹，吉恩与特蕾西·赛克斯材料与能源技术教授，任职于哈佛大学保尔森工程与应用科学学院 （SEAS），并担任该项目的首席研究员。“无毒且廉价、储量丰富的材料溶于水溶液中，意味着它是安全的——它不会起火——当大量电能储存在人群附近时，这一点至关重要。”
液流电池的工作原理
液流电池将可再生能源储存在盛有无毒有机化学品的液体储罐中。图片来源：哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院
该研究成果 以论文形式 于今日发表在《科学》期刊上。
这种新型电池化学体系由博士后研究员迈克尔·马沙克（Michael Marshak）和研究生林凯翔（Kaixiang Lin）发现，他们与共同第一作者 罗伊·戈登合作完成。戈登是哈佛大学托马斯·达德利·卡伯特化学教授兼材料科学教授。
“我们将一种常见有机染料与一种廉价食品添加剂结合，使电池电压比我们之前的材料提高了约50%，”戈登说。这些发现“首次为液流电池提供了高性能、不可燃、无毒、无腐蚀性且低成本的化学品。”
与固体电极电池不同，液流电池将能量储存在外部储罐中的液体里，类似于燃料电池。储罐（决定能量容量）以及流体被泵送通过的电化学转换装置（决定峰值功率容量）可以独立设计尺寸。由于可储存的能量可以通过扩大储罐尺寸而任意增加，相比传统电池系统，可以以更低成本储存更大量的能量。
改进之上的改进
大多数液流电池设计中电解液的活性成分是金属离子，例如溶解于酸中的钒。这些金属可能价格昂贵、具有腐蚀性、难以处理，且动力学上反应迟缓，从而导致效率低下。去年，阿齐兹及其哈佛同事 展示了一种液流电池 ，该电池用被称为醌类的有机（碳基）分子取代了金属。醌类是丰富的天然化学物质，对光合作用和细胞呼吸等生物过程至关重要。
虽然水溶液中的醌类构成了电池的负极电解液，但正极则依赖于其他多种电池中使用的常规含溴电解液。该技术性能优异、成本低廉，哈佛大学已将其授权给一家欧洲公司，具有为公用事业公司提供可扩展电网级储能解决方案的潜力。
但溴的毒性和挥发性使其最适合用于由训练有素的专业人员在安全围栏内处理的场所。
因此，团队开始寻找一种新配方，既能提供类似的储能优势——廉价、长寿命、高效——又能使用可在家庭和企业中安全部署的化学品。他们的新电池用一种无毒且无腐蚀性的离子——亚铁氰根——取代了溴。
“它听起来很糟糕，因为其中有‘cyanide’（氰）这个词，”共同第一作者马沙克说，他现任科罗拉多大学博尔德分校化学助理教授。“氰化物之所以致命，是因为它会与人体内的铁紧密结合。而在亚铁氰根中，它已经与铁结合，因此是安全的。事实上，亚铁氰根常被用作食品添加剂，也用作肥料。”
由于亚铁氰根在碱性溶液中而非酸性溶液中具有高溶解度和稳定性，哈佛团队将其与一种在碱性条件下可溶且稳定的醌类化合物搭配使用，这与他们去年开发的原始电池所处的酸性环境形成对比。
马沙克将接触浓缩碱性溶液比作接触受损的一次性AA电池。“你不会想吃它或在里面溅来溅去，但除此之外，它真的不是问题。”
使用碱性溶液还有其他优势。由于它无腐蚀性，液流电池系统的组件可以由更简单、成本低得多的材料制成，例如塑料。
“第一代液流电池是单元素电对——例如钒、铁或铬等过渡金属，”联合技术研究中心电化学系统项目负责人迈克尔·佩里说，他并未参与该项研究。“如今我们看到了工程分子的可能性，它们可以在一个完整系统中实现我们所需的特性和属性。仍需更多工作，而且这些工作是值得的，但哈佛团队确实展示了下一代化学体系的前景。”
哈佛大学的 技术开发办公室 一直与研究团队密切合作，以应对储能市场不断变化的复杂局面，并与有能力将新化学体系商业化的公司建立合作关系。
改用储能，取代“净计量”
电池储能的需求既受监管因素驱动，也受经济因素驱动。在一些州以及世界上许多地区，如果无法立即用于满足需求，而电力又未被储存，照射到太阳能板上的太阳能就会被浪费。然而，在许多州，客户有权依据一项被称为“净计量”的监管机制，以较高的消费者费率出售屋顶太阳能板所发的电。在这种情况下，消费者几乎没有安装电池的动力。然而，像 威廉·W·霍根，哈佛肯尼迪学院雷蒙德·普兰克全球能源政策教授，这类市场专家认为，此类政策最终是“不经济且不可持续的”。随着越来越多的房主安装太阳能板，公用事业公司正反对被要求向其客户购电的规定。
霍根表示，净计量是一系列“旨在使太阳能更具吸引力的监管手段”之一，并预测，最终拥有屋顶光伏板的消费者将失去以发电换取公用事业账单折扣的选择。届时，房主将有动力投资储能电池。
这正是特斯拉汽车公司创始人埃隆·马斯克希望借其公司最近发布的Powerwall系统把握的新兴市场机遇。但与锂电池相比，阿齐兹及其哈佛同事设计的液流电池在成本以及维持峰值放电功率的时长方面具有潜在优势。
“这很有潜力，因为光伏发电增长得如此之快，”阿齐兹说。“一朵云飘过你的太阳能装置， 嘭 ——发电量骤降。然后云散去，发电量又急剧飙升。应对这种情况的最佳方式就是使用电池。”
本文系与 《哈佛公报》合作发布。发表本文并不代表世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Paul Karoff，任职于哈佛保尔森工程与应用科学学院传播部。
图片：一座海上风电场矗立于丹麦萨姆瑟岛附近的水中。路透社/Bob Strong。
