海洋工程师开发有机兆流电池

哈佛大学工程学院Aziz实验室的原型流动电池。（照片由eliza grinnell，海洋通信。）

海洋工程师开发了一种无金属流电池，依赖于称为醌的天然丰富的分子的电化学，可以从根本上转化电网上的电网。

马萨诸塞州剑桥 - 哈佛科学家和工程师团队已经展示了一种新型电池，可以从根本上改变电网上的电力方式，从而从而从风和太阳能等可再生能源的电力更加经济和可靠。

新颖的电池技术在1月9日出版的论文中报告。根据2012年开放计划，哈佛队获得了美国能源部先进研究项目局 - 能源（ARPA-E）的资金，以开发创新的网格规模电池，并计划与ARPA-E合作，促进进一步的技术和市场未来几年的突破。

本文报告了一种无金属流动电池，其依赖于诸如克隆的天然丰富，廉价的小有机（碳基）分子的电化学，这与储存植物和动物能量的分子类似。

间歇风或阳光的可用性与需求变化之间的不匹配是从可再生来源获得大量电力的最大障碍。储存大量电能的成本效益手段可以解决这个问题。

在哈佛大学工程和应用科学（SEAR）的Michael J.Aziz，Gene和Tracy Sykes，基因和Tracy Sykes的实验室设计，建造和测试电池。Roy G. Gordon，Thomas Dudley Cabot Chemistry教授和材料科学教授，带来了分子合成和化学筛选的工作。AlánAspuru-guzik，化学和化学生物学教授，采用了他开创性的高通量分子筛选方法来计算超过10,000个醌分子的性质，以寻找电池的最佳候选人。

流电池在外部罐中包含的化学品中的能量 - 与燃料电池一样 - 而不是电池容器本身。两个主要组件 - 流体通过该电化学转换硬件（其设置峰值功率容量）和化学储存箱（设定能量容量）-may被独立尺寸。因此，可以存储的能量量仅受到罐的尺寸的限制。该设计允许较大量的能量以较低的成本储存而不是传统电池。

相比之下，在固体电池中，例如汽车和移动设备中常见的那些，电力转换硬件和能量容量在一个单元中包装在一起，不能解耦。因此，它们可以在排水前保持峰值放电功率不到一小时，因此非常适合存储间歇性再生能源。

“我们的研究表明，通过电网调度的太阳能和风量需要一到两天的存储价值，”Aziz说。

从1兆瓦的1兆瓦电力容量风力发电机（50兆瓦）（50兆瓦）储存50小时的能源，例如，可能的解决方案是购买50兆瓦的能量存储器的传统电池，但它们有50个兆瓦的电力容量。只有1兆瓦的必要金额支付50兆瓦的电力容量取得了很少的经济意义。

因此，越来越多的工程师将注意力集中在流量电池技术上。但到目前为止，流动电池依赖于昂贵或难以维持的化学品，提高能量储存成本。

大多数流电池中电解质的活性成分已经是金属。钒用于现在在开发中最具商业先进的流量电池技术，但其成本在任何规模的每千瓦时的成本上设置了相当高的地板。其他流电池含有贵金属电池，例如燃料电池中使用的铂。

哈佛大组开发的新流量电池已经表现出以及钒流电池，具有明显昂贵的化学品，无贵金属电气催化剂。

“整个电力存储世界一直在各种充电状态下使用金属离子，但是数量有限，您可以投入解决方案并用来储存能量，并且他们都不能经济地存储大量的可再生能源，”戈登说。“通过有机分子，我们介绍了一系列巨大的可能性。其中一些会很糟糕，有些人会非常好。通过这些Quinones，我们有第一个看起来非常好的人。“

Aspuru-Guzik指出，该项目与白宫材料基因组倡议非常好。“这个项目说明了高通量量子化学和实验洞察力的协同作用可以做到，”他说。“在一个非常快的时间段，我们的团队磨练了正确的分子。计算筛选与实验一起导致在许多应用领域中发现新材料。“

Quinones在原油以及绿色植物中丰富。哈佛队在其第一个基于奎尼诺的流电池中使用的分子几乎与大黄中发现的群体几乎相同。将醌溶于水中，这可以防止它们捕捉火灾。

为了备份商业风力涡轮机，需要一个大型储罐，可能位于下面的地下室，海洋博士后的化学和化学生物学部门联合领导作者Michael Marshak。或者，如果你有一个涡轮机或大型太阳能农场的整个领域，你可以想象一些非常大的储罐。

Marshak说，相同的技术也可以在消费水平上具有应用。“想象一下，坐在地下室的家用加热油箱的尺寸。它将从房屋屋顶上的太阳能电池板储存一天的阳光，可能在下午晚上到第二天早晨，在夜晚，在不燃烧任何化石燃料的情况下，可能提供足够的人。“

“哈佛队在大自然上发表的成绩展示了一个早期，但重要的技术成就，这在进一步发展网格级电池的发展至关重要，”ARPA-E计划总监John Lemmon说。“项目团队的结果是ARPA-E少量催化资金如何帮助建立基础，以希望将科学发现变成低成本，早期的能源技术。”

团队领导Aziz表示，该项目的后续步骤将进一步测试和优化在台面上证明的系统，并将其朝向商业规模。“到目前为止，我们在100多个周期后看到没有降级的迹象，但商业应用需要数千个周期，”他说。他还希望在电池系统的潜在化学方面取得重大改进。“我认为我们现在拥有的化学可能是静止存储的最佳状态，并且在市场上有足够便宜的储存，”他说。“但我们有可能导致巨大改进的想法。”

截至三年开发期末，基于康涅狄格州的可持续创新，LLC是该项目的合作者，预计将部署在单位拖车的单位尺寸的单位中包含的有机流量电池的示范版本。便携式缩小的存储系统可以挂在商业建筑屋顶上的太阳能电池板，而来自太阳能电池板的电力可以直接供应建筑物的需求或者储存，并且有一个需要。可持续的创新预计通过利用其超低成本电化学电影细胞设计和系统架构，在产品的商业化中发挥着关键作用，该电化学电池设计和系统架构已经开发了能量存储应用。

“理论上你可以在网格上的任何节点上把它放在网格上，”Aziz说。“如果市场价格足够波动，你可以将一个存储设备放在那里并购买电力以将其存放在价格较低时，然后在价格高时销售它。此外，您还可以避免允许和燃气供应问题，以便只需满足日益增长的峰值需求的偶尔需求即可建立燃气发电厂。“

这项技术还可以为离网屋顶太阳能电池板提供非常有用的备份 - 考虑到世界上大约20％的人口的重要优势无法访问配电网络。

William Hogan，哈佛肯尼迪学校的全球能源政策的雷蒙·霍根，以及世界上最重要的电力市场专家之一，正在帮助该团队探索该技术的经济司机。

LLC的可持续创新总裁兼首席执行官Trent M. Mutter提供了在商业电化学系统中实施哈佛大组技术的专业知识。

“间歇性再生能源存储问题是从太阳和风中获得大部分力量的最大障碍，”Aziz说。“安全且经济的流动电池可能在我们的过渡到化石燃料到可再生电力中发挥巨大作用。我很兴奋，我们有一个很好的镜头。“

除了Aziz，Marshak，Aspuru-Guzik和Gordon，自然纸的联合主导作者是Brian Huskinson，是Aziz的研究生;同志队包括研究助理昌申SUH和博士后研究员Süleymaner inspuru-guzik的集团;迈克尔格哈尔特，一位含阿兹兹的研究生;库珀·戈尔文，一家小学大学本科;和徐东陈，戈登集团的博士后。

这项工作是由美国能源部的先进研究项目机构 - 能源（ARPA-E），哈佛大学工程和应用科学学院，国家科学基金会（NSF）极端科学与工程发现环境（OCI-1053575 ），NSF研究生研究奖学金，以及对物质基础研究基金会的年轻能源科学家计划的奖学金，这是荷兰科学研究组织（NWO）的一部分。

出版物：Brian Huskinson等，“无金属有机无机含水电池，”自然505,195-198（2014年1月9日）; DOI：10.1038 / Nature12909

图像：Eliza Grinnell，海洋通信