编译来源:Science, 8 January 2014 “‘Rhubarb’ Battery Could Store Energy of Future”

「大黄」是多种蓼科大黄属的多年生草本植物的合称,在中国主要当成药材使用。近来研究人员发现从大黄中可以分离出一种有机化合物作为新型「液流电池」的主成份,「大黄」电池或许会发展成新的储能工具。

储能新选择-「大黄」电池

来自植物的能量!? 与大黄成份分子结构类似的有机化合物在新一代的「液流」电池中扮演关键的角色(Eliza Grinnell/哈佛大学工程与应用科学学院)

为了减低因过度使用石化能源而造成的大量碳排放,再生能源的开发已蔚为风潮,其中风力发电和太阳能佔了目前世界新能源总发电量的7%。然而,一旦风力和太阳能的供电量提升至总需求量的20%,将会出现新的困境,因为现行储能工具在无风或是阴天再生能源无法生产时,不足以提供充足的备载电力。在这种情况下,开发高效能的储能电网势在必行。
有鉴于此,科学家提出了许多具有潜力的储能技术。其中现行主流的技术为抽蓄水力储能系统,即利用离峰的电力将水抽至高处,在尖峰供电时放开水闸并带动下游的发电机进行发电,但这显然不适用于平地。而其他的储能系统,例如传统的电池,价格十分昂贵且有安全性上的考量。

近年来液流电池的发展备受瞩目。有别于市售传统电池将阴阳两极的化学反应物质和电极封装在一起,液流电池则是将阴阳两极的化学反应物分别放入两个独立的反应槽内,两种溶液以质子交换膜隔开,各自在阴阳两极进行还原和氧化反应。 现阶段最大的液流电池计画为日本的全钒液流电池,藉由钒离子水溶液的氧化还原反应来进行充放电,并预计于2015年正式启用。然而钒的价格十分昂贵,据统计全钒液流电池每储存并提供1仟瓦小时的电能,钒的部分即价值81美元。若是再搭配其他的零组件则每1仟瓦小时成本高达350至700美元。根据美国能源部(U.S. Department of Energy)的规划,未来的电网储能技术每1仟瓦小时的电能目标成本为100美元以下,显然这其中仍然有不小的差距。

研究人员利用这种化合物设计出高效能的「液流」电池,可望应用在未来的储能电网。如果这样的电池原型数量持续增加,那幺儘管是在无风或是阴天,也可以确保再生能源的供电无虞。

为了更靠近这项目标,由哈佛大学(Harvard University)物理学家Michael Aziz所领导的研究团 可能在未来再生能源的储能系统中扮演重要的角色。研究团队从大黄分离出来的有机分子「醌」(quinone)。「醌」,在很早以前就被发现具有优异捕捉与释放电子的能力,这正好是电池成份的好材料。

Aziz和他的研究团队将醌水溶液放置在一个槽内,并在另一个槽内放入液态溴,质子交换膜则位于两个电极之间防止两种液体直接接触。每一个醌分子在放电的过程中释出两颗电子与两颗质子,电子经由外部电路传递到另一个电极,溴得到电子反应成溴离子,与穿过质子交换膜的质子结合成溴化氢。电池充电时反应则反向进行。起初Aziz和他的学生测试了几种醌类化合物在液流电池中的表现,但结果都不如预期,于是他们与同样是哈佛大学的Alán Aspuru-Guzik教授合作,针对超过10,000种醌类分子结构的性质进行计算,最终找到了简称AQDSH2的有机化合物是最适合的物质。
Aziz和他的研究团队表示:这种新型的「醌-溴液流电池」结合了有机分子(醌)和无机分子(溴),不需要金属,且在测试中能够稳定提供相当的电力。最令人兴奋的是,醌在许多植物甚至是原油当中含量丰富,因此价格也相对较便宜,醌和溴的价格仅仅为传统钒的三分之一,这使的醌液流电池在价格上更具竞争力。这项成果已经发表在2014年1月的《Nature》期刊上。

对于这项新颖的「醌-溴液流电池」电池组,康乃狄克东哈特福德(East Hartford)联合技术研究中心(United Technologies Research Center)的液流电池专家Mike Perry给予高度肯定,但Perry也提到溴具有高度的腐蚀性,显示须有额外的花费用于设备防蚀。针对这一点Aziz表示目前他的研究团队正在积极的找寻能够取代溴的有机物。若能顺利开发成功,这类新型的液流电池便可以为再生能源储能电网增添一名生力军,人类,也许可以逐渐摆脱受化石燃料发电的支配了。