糖添加剂发挥了意想不到的作用，在这种电网能源弹性设计中提升了流动电池的容量和寿命。
美国能源部太平洋西北国家实验室的一个研究团队取得了重大突破，他们在流动电池设计方面使用了一种常见的食品和药物添加剂，称为β-环糊精，它由淀粉提取而来。这项研究发表在《Joule》杂志上，揭示了这种流动电池在持续循环使用一年多的时间内依然保持了其储存和释放能量的能力。
一种常见的食品和药物添加剂在一项创纪录的实验中表明，它可以提升下一代流电池设计的容量和使用寿命。
来自美国能源部太平洋西北国家实验室的一支研究团队报告称，流动电池是一种专为电网能量储存而优化设计的方案，它在连续充放电一年之久的时间里，保持了储存和释放能量的能力。
这项研究刚刚刊登在《Joule》期刊上，详细介绍了首次使用一种被称为β-环糊精的溶解型简单糖，它是淀粉的衍生物，以此来提升电池的寿命和容量。经过一系列实验，科学家们优化了系统中化学物质的比例，使其达到了60%更高的峰值功率。然后，他们连续将电池循环使用了一年多，只有当塑料管路出现故障时，实验才停止。在此期间，流动电池几乎没有任何充电活性的损失。这是第一个在实验室规模上，报告了一年多持续使用且容量几乎没有损失的流动电池实验。
β-环糊精添加剂还是首位能够加速储存和释放流动电池能量的电化学反应的物质，这一过程被称为均相催化。这意味着糖在溶液中起作用，而不是作为固体施加在表面上。
“这是一种全新的流电池电解液开发方法，”长期从事PNNL电池研究的魏王说道，“我们展示了一种完全不同类型的催化剂，旨在加速能量转换。而且，由于它溶解在液态电解液中，消除了固体脱落污染系统的可能性。”
什么是流动电池？
正如其名，流动电池由两个充满不同液体的腔室组成。这些电池通过电化学反应充电，并将能量储存在化学键中。当连接到外部电路时，它们释放出这些能量，用于驱动电子设备。与固态电池不同，流动电池通过两个外部供液箱不断循环供电解液，这就像系统的“血液供应”。电解液供应箱越大，流动电池储存的能量就越多。
如果流动电池被放大到足球场甚至更大的规模，它们可以作为电网备用发电机。流动电池是从可再生能源储存能量的脱碳战略的关键支柱之一。它们的优势在于可以根据任意规模进行建设，从实验室的工作台规模，就像PNNL的研究中所涉及的，到一个城市街区的规模。
为什么我们需要新型的流动电池呢？
大规模能量储存提供了一种应对电网故障的保险方案。当恶劣天气或高需求导致供电无法满足家庭和企业的需求时，储存在大型流动电池设施中的能量可以帮助最大限度地减少中断或恢复服务。由于电力发电越来越多地来自可再生能源，如风能、太阳能和水电等，对这些流动电池设施的需求预计只会增长。像这样的间歇性电源需要一个地方储存能量，直到满足消费者需求为止。
虽然存在许多流动电池设计和一些商业化设施，但现有的商业设施依赖于昂贵且难以获取的钒等采矿矿物。因此，研究团队正在寻求使用更常见、易于合成、稳定且无毒的有效替代技术。
“我们不能总是挖掘地球寻找新材料，”美国能源部电力办公室能源储存研究主任伊姆雷·吉克表示。“我们需要开发一种可持续的方法，用能够大规模合成的化学品来代替，就像医药和食品行业一样。”
流动电池的研究是PNNL的一项重要计划的一部分，该计划致力于开发和测试用于电网规模能源储存的新技术。随着PNNL的电网储能平台于2024年开放使用，这一计划将进一步加速推进。
一种良性的“糖水”为高效流动电池增添了甘甜的滋味
开发出这种新电池设计的PNNL研究团队包括具备有机合成和化学合成背景的研究人员。当团队选择使用尚未用于电池研究的材料时，这些技能变得非常有用，而这些材料已经被用于其他工业用途。
新研究的第一作者冯若竹表示：“我们正在寻找一种简单的方法，在水基电解质中溶解更多的芴醇。β-环糊精在某种程度上有所帮助，但它真正的益处在于这种令人惊讶的催化能力。”
研究人员随后与合著者、耶鲁大学的知名权威专家Sharon Hammes-Schiffer紧密合作，对催化增强作用背后的化学反应进行了解释。
正如研究所描述的那样，糖添加剂接受带正电荷的质子，这有助于在电池放电时平衡负电子的运动。具体细节稍微复杂些，但可以形容为糖为其他化学物质的化学反应增加了一抹甜味。
该研究是PNNL（太平洋西北国家实验室）掌握专利的下一代流动电池设计，该设计在2021年科学杂志上首次被描述。在那里，研究人员证明了另一种常见化学物质，称为芴酮，是一种有效的流动电池组件。然而，这一最初的突破需要改进，因为与商业化流动电池技术相比，其过程较慢。研究人员表示，这一新的进展使得该电池设计成为扩大规模的候选方案。
同时，研究团队正在努力改进该系统，通过尝试其他类似于β-环糊精但更小的化合物来进一步提高其性能。就像蜂蜜一样，β-环糊精的添加也会使液体变得更加浓稠，这对于一个流动的系统来说并不理想。然而，研究人员发现它的益处远远大于缺点。
