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蜡烛中常见的化合物点燃了电网规模储能方式 精选

已有 1949 次阅读 2021-5-22 10:01 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

蜡烛中常见的化合物点燃了电网规模储能方式

诸平

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据美国能源部/太平洋西北国家实验室(DOE/Pacific Northwest National Laboratory简称DOE/PNNL2021520日提供的消息,该实验室的研究人员发现,蜡烛中广泛使用的化合物有望带来更加现代的能源挑战-存储大量能量,以在需要时馈入电网。这为存储来自太阳、风、水的能量的步骤向前迈进了一大步。研究人员表明,低成本有机化合物有望存储因恶劣天气而在电网脱机时会出现的能量——使电网富有弹性,并能存储可再生能源。相关研究结果于2021521日已经在《科学》(Science)杂志网站发表——Ruozhu Feng, Xin Zhang, Vijayakumar Murugesan, Aaron Hollas, Ying Chen, Yuyan Shao, Eric Walter, Nadeesha P. N. Wellala, Litao Yan, Kevin M. Rosso, Wei Wang. Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteriesScience, 21 May 2021, Vol. 372, Issue 6544, pp. 836-840. DOI: 10.1126/science.abd9795. https://science.sciencemag.org/content/372/6544/836 

此项成果的共同通讯作者分别是美国太平洋西北国家实验室的张欣(Xin Zhang音译)和王伟(Wei Wang音译),他们在文章中展示了芴酮(fluorenone)的分子工程研究,可通过对这一低成本有机物进行改性来实现醇类的电氧化过程。该电氧化过程可进一步在室温无催化剂条件下,实现可逆的酮加氢和脱氢作用。研究显示,基于这些芴酮衍生物阳极液(anolytes)的液流电池(flow batteries)可高效运行,并且在室温和缓慢升温过程中还展现出了稳定的长循环性能。这些结果不仅扩展了可用于水系电池的有机物种类,也阐释了芴酮阳极液的存储机制是非典型的二电子机制。

美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家表明,低成本有机化合物有望储存电网能量。普通的芴酮(fluorenone)是一种亮黄色粉末,起初是一种勉强的参与者,但经过足够的化学改性,已被证明是液流电池系统(为电网存储能量的大型系统)中的能量存储的有效伙伴。

开发这种存储至关重要。例如,当电网由于恶劣天气而脱机时,正在开发的大型电池将投入使用,从而提高了电网的弹性并最大程度地减少了干扰。这些电池还可以用于存储风能和太阳能产生的可再生能源,以在弱风或阴雨雪天气时使用。

该项研究在DOE电力办公室(DOE's Office of Electricity)的支持下完成,美国能源部电力办公室储能主管伊姆雷·久克(Imre Gyuk)表示:液流电池技术是美国能源部在未来十年内降低电网储能成本之目标的关键部分。” “进展很快,成本也大大降低了,但是还需要进一步的研究,以使电网规模的储能得到广泛应用。

电网液流电池:走向有机Flow batteries for the grid: going organic

科学家们正在朝着制造更好的电池迈出巨大的步伐-以更低的成本存储更多的能量,并且使用寿命比以往更长。结果触及了我们生活的方方面面,诸如转化为更具弹性的电网,寿命更长的笔记本电脑电池,更多的电动汽车,以及风能、太阳能或者水力发电产生的可再生能源等都可以派上用场。

对于电网规模的电池而言,识别正确的材料并将其组合以创建新的能量存储配方是世界利用和存储可再生能源的电力中的关键一步。使用最广泛的电网格规模电池是使用锂离子技术,但是这些电池很难以对电网最有用的方式随时进行个性化定制,并且存在安全隐患。氧化还原液流电池(Redox flow batteries)是一种日益增长的替代品。但是,大多数使用钒,钒价格昂贵,不易获得且容易出现价格波动。这些特征构成了广泛的电网规模储能的障碍。

液流电池的替代材料包括有机分子,与钒相比,有机分子更易获得,更环保且更便宜。但是有机物不能很好地满足流动电池技术的需求,通常锐减会比所需的速度更快。分子的长期稳定性很重要,因此它们需要可以保持多年的化学反应能力。

负责液流电池组的PNNL科学家王伟说:“这些有机材料是用最常见的CHO元素制成的。它们很容易获得;它们不需要像钒那样的物质进行开采。这使得它们对于电网规模的储能非常有吸引力。

王伟的团队在《科学》杂志上证明,令人惊讶的是,低成本有机芴酮不仅是可行的候选储能材料,而且在储能方面表现出色。

在模拟现实环境的实验室测试中,PNNL电池连续运行120天,仅在与电池本身无关的其他设备用尽时才结束。电池经历了1111次完整的充电和放电循环-在正常情况下相当于几年的运行-电量下降不到3%。其他基于有机物的液流电池的运行时间要短得多。

该团队创建的液流电池只有大约10 cm2,其大小与一张大邮票相当,并且消耗的功率约为500 mW,甚至不足以为手机摄像头供电。但是这种微小的结构体现出了巨大的希望:其能量密度是当今使用的钒电池的两倍以上,并且其化学成分价格便宜,使用寿命长且可广泛使用。

分子工程使芴酮逆转(Molecular engineering puts fluorenone into reverse)

多亏了第一作者冯若珠(Ruozhu Feng音译)、技术负责人张欣等人组成的科学家团队,这项开发才得以实现。

PNNL科学家在开发当今使用的钒基液流电池方面发挥了重要作用。几年前,由于有机分子的广泛可用性和低成本,该团队将注意力转向了有机分子。在2018年,张欣加入此团队,作为调整储能材料的工作的一部分,从先前在LED方面的研究中吸取了芴酮的丰富知识。

芴酮还用于太阳能电池板、药物(例如用于治疗疟疾的药物)和蜡烛中,以赋予它们宜人的气味。它很便宜,很容易从煤焦油和通常的食品添加剂苯甲酸的生产中作为废品获得。

张欣将注意力集中在芴酮作为水性(水基)液流电池的心脏,但存在障碍。一方面,该分子的水溶性不足。而且该分子在水溶液中没有显示出氧化还原可逆性;也就是说,科学家还没有证明它既可以轻松地接受和捐赠电子,又是液流电池的两个补充性和强制性步骤。

冯若珠创建了一系列复杂的化学步骤-王伟称其为分子工程”-将芴酮转化为氧化还原可逆的水溶性化合物。对于芴酮来说,这一过程的一向很容易:在一种称为还原的过程中获得电子。但冯若珠用令人费解的化学方法改进了该过程的另一半-氧化,电子的失去-使该过程可逆并适合储能。

出乎意料的是,冯若珠发现芴酮进行可逆反应的能力取决于它的浓度——更多的物质溶解在水中使得可逆成为可能。科学家们以前从未在有机分子中看到过这种现象。

王伟说:这是使用分子工程技术将一种材料从一种被广泛认为不可能使用的材料转变为一种对能量存储有用的材料的很好的证明。” “这打开了我们可以探索的重要的新化学空间。

该研究小组还提高了芴酮在水中的溶解度,从原始芴酮的几乎为0到每升1.5摩尔,这取决于对化合物的修饰。水性液流电池的溶解度至关重要。物质在水中的溶解度越高,在电池中心交换电子时就越能用作化学伙伴。

PNNL鼓励基于芴酮的水性氧化还原液流电池的商业化,并且第一步,已为该创新申请了专利。

液流电池的工作是PNNL一项大型计划的一部分,该计划旨在开发和测试用于电网规模储能的新技术。PNNL2021年早些时候被选为电网储存启动台(Grid Storage Launchpad)的所在地,这是由DOE电力办公室创建的设施,用于加速大型电网规格电池的开发和测试。一个主要目标是增加对现成材料的使用并降低成本,从而使可再生能源的存储期限更长。上述介绍仅供参考,欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道

Engineering suitable redox molecules

In a flow battery, catholyte and anolyte are stored in separate tanks, and pumps are used to circulate the fluids into a stack with electrodes separated by a thin membrane. Such batteries are ideal for large-scale grid storage applications; however, suitable redox molecules are currently limited. Feng et al. used “molecular engineering” to modify an inexpensive precursor (9-fluorenone) as the basis for an organic-based redox flow battery (see the Perspective by Hu and Liu). The authors tested a series of variant molecules in a redox flow battery in which the reactions involve reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation in an aqueous electrolyte. These reactions have advantageous features, including two-electron redox and operation in air and at elevated temperatures (50°C), that are more suitable for real-world applications.

Science, abd9795, this issue p. 836; see also abi5911, p. 788

Abstract

Aqueous redox flow batteries with organic active materials offer an environmentally benign, tunable, and safe route to large-scale energy storage. Development has been limited to a small palette of organics that are aqueous soluble and tend to display the necessary redox reversibility within the water stability window. We show how molecular engineering of fluorenone enables the alcohol electro-oxidation needed for reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation at room temperature without the use of a catalyst. Flow batteries based on these fluorenone derivative anolytes operate efficiently and exhibit stable long-term cycling at ambient and mildly increased temperatures in a nondemanding environment. These results expand the palette to include reversible ketone to alcohol conversion but also suggest the potential for identifying other atypical organic redox couple candidates.




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