让液体在电池中流动

技术常常会以人们意想不到的速度快速更新，就比如10年前以iPhone为代表的智能手机还未问世时，很少有人能想到，手机能做那么多事情。然而，仍有一些领域的技术发展速度，会比人们预想或期待的慢很多，比如电池。

无论是最普通的锌锰电池，还是手机中可充电放电的锂电池，时至今日，它们的发展仍或多或少受到成本较高、寿命短，以及安全性能较低等因素的制约。在智能手机高速发展的当下，电池可以说也是制约这个领域往前更进一步的最大障碍之一。

当然，试图通过新材料解决电池问题的各种技术也在不断出现。就在今年2月，哈佛大学研发出了一款号称“寿命至少十年，且无需经常维护”的液流电池。

这款电池诞生于哈佛大学的John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的实验室里，该科研项目由研究材料和能源技术方向的教授Michael Aziz以及化学和材料学教授Roy Gordon主导。

液流电池并非新技术。早在1971年，日本就有人提出了氧化还原液流电池概念；1973年，美国国家航天航空局开始了对可充放氧化还原液流电池的研究。

和传统蓄电池相比，液流电池的能量转化不再依赖固体电极，而是流动的液体。也就是说，储存电能的任务改由液态反应物承担。这也意味着使用者被赋予更大自由来调节电池的性能，并降低了电池的维护成本。不过，液流电池之所以一直没有取代传统的固体电池，也是因为它存在许多缺陷，比如，其正负极电解液中的离子相互渗透会降低电池能量效率和寿命，以及电解液的毒性、材料成本等。

SEAS新闻部主管Leah Burrows对《第一财经周刊》介绍，和以往相比，这款新型液流电池最大的突破点就在于，它改变了正负电解质的分子结构，使它们变得可溶于水―此前的液流电池中的电解质，则会在中性溶液中快速降解。

SEAS的研究员们发现造成液流电池电解质容易降解的一个原因，是来自于其负极电解质中的紫罗碱分子。所以，他们改变了这一分子结构，从而提升它的抗分解能力。之后，该团队还对正极电解质中的二茂铁分子也做了改造，将这个原本不溶于水的分子变成高度溶于水的。

“二茂铁非常适合储存电荷，但在此之前它完全不溶于水。其他电池研究中，这一材料常常用于一些易燃且昂贵的有机溶剂中。”SEAS教授Aziz说，“水溶性的二茂铁代表了一种可用于液流电池的全新分子。”

此前的液流电池在多次充放电循环后，存储能力也会下降，需要定期维护电解液。而SEAS团队改变正负电解质溶液中的分子结构这一举动，不但能让其可溶于水，且大大降低了充放电循环中存储能力衰退的问题，增加了使用效率。“锂离子电池在经过1000次完全充放电的循环后，就离损坏不远了。”Aziz说。据介绍，这款电池每1000次充放电循环仅损失其容量的1%。

其实，SEAS团队一直在尝试各种结构的液流电池。早在2014年，该团队就发明出了全球首款使用有机电解质的有机液流电池，但当时，他们使用的是有机分子醌类。2016年，该团队有了新进展：从维生素B2中得到启发，发现可用于液流电池的有机电解质咯嗪化合物。

今年3月，美国犹他州立大学的一个团队也宣布研发出了一项全新的水相有机液流电池。与SEAS团队相似的是，他们也将目标放在了“改变分子结构，使其可溶于水”上。该团队设计出了高水溶性氨基修饰的二茂铁作为正极电解液活性材料，甲基紫精作为负极电解液活性材料，并且将其二者溶解在氯化钠支持的电解液中―两个团队所做的研究十分相似，它们的区别只是负极电解液中分别采用了紫罗碱和甲基紫精，而这两种物质的分子结构仅相差一个甲基。

改变有机分子的原有结构使其能够溶解在水中，除了能增加液流电池的自身使用时长外，还有可能让其变得更环保，以及降低成本。

“改性”后的新型液流电池的电解质能够溶解在pH值为中性的水溶液中―这也和我们常见的电池不同。“电解质是水溶性的，电池的安全性将大幅提高。你可以在家里的地下室放上这样一款寿命长的电池。即使是电解液流出，洒到地板上，它也不会腐蚀物体。”SEAS的化学和材料学教授Roy Gordon说。

另外，这个电解液完全无腐蚀性的特点还能降低电池中其他部件的成本，如电池容器的内表面、液体电池中所需要的泵以及离子选择性通过膜。目前市场上液体电池的蓄电系统一般包含正负极两个储液罐，内装两种不同电解液，其间连接部分是发电区，用一个隔膜隔开。两种电解液间隔着薄膜产生离子交换来实现电能的储存与释放，但其所使用的离子膜大多为价格上千元的高分子聚合物，这么做主要是为了能够承受电池中产生的剧烈化学反应。

然而，SEAS研究团队正是因改变了二茂铁和紫罗碱的结构，让其达到完全溶于盐水溶液中，降低了化学反应。从而，以几十元至几百元的碳氢化合物代替原有的离子膜。

无论是哈佛大学还是犹他州立大学的研究，目前还都停留在实验室阶段，但成本的降低是一项新技术实现商业化的重要因素。美国能源部制定的储能计划就要求研发一种花费小于每千瓦时100美元的储能电池。目前，在哈佛科技发展办公室（OTD）的帮助下，SEAS团队也在和相关公司沟通，希望能借此扩大这项技术在工业中的应用。

目前市场上较为常见的液流电池是全钒液流电池。根据《中国能源报》的数据，2016年其成本大约为每千瓦时6000元人民币，有研究机构预测，到2020年年底，它的成本还能继续降到每千瓦时2800元至3000元人民币―仍然有些昂贵。目前，全钒液流电池在日本住友电工、美国UniEnergy Techonologies、中大连融科等公司已投产使用，主要用于储能、电站调峰等。

但如果能更好地解决储能、寿命及成本等等问题，液流电池的应用领域肯定不仅限于工业，比如新能源汽车、家庭储能，甚至是一些消费电子设备上（但这可能需要重新设计设备的电池仓）。要知道，今年的日内瓦车展上，一辆来自列支敦士登的电动汽车品牌nanoFlowcell的概念跑车，搭载的就是液流电池。