PNNL科学家冯若珠创建了一系列分子工程步骤来培养芴酮的能量承载能力，这是太平洋西北国家实验室为电网开发新型储能技术的努力的一部分。信用:安德里亚·斯塔尔|太平洋西北国家实验室一种广泛用于蜡烛的化合物为更现代的能源挑战提供了希望——储存大量的能量，以便在需要时输入电网。美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家已经表明，低成本的有机化合物有望储存电网能量。普通芴酮是一种亮黄色粉末，起初是一个不情愿的参与者，但经过足够的化学说服，已被证明是液流电池系统中能量储存的有力伙伴，液流电池系统是为电网储存能量的大型系统。
开发这样的存储至关重要。例如，当电网因恶劣天气而离线时，正在开发的大型电池将会启动，从而增强电网的弹性并最大限度地减少中断。这些电池还可以用来储存风能和太阳能的可再生能源，在风很小或者太阳不亮的时候使用。
由能源部电力办公室支持的这项研究的细节发表在5月21日的《科学》杂志上。
能源部电力办公室能源存储主任Imre Gyuk表示:“液流电池技术是能源部未来十年降低电网储能成本目标的关键部分。“进展很快，成本也大幅下降，但要让电网规模的储能广泛应用，还需要进一步的研究。”
电网用流动电池:走向有机
科学家们在制造更好的电池方面取得了巨大的进步——以更低的成本储存更多的能量，寿命比以往任何时候都长。这些结果触及我们生活的许多方面，转化为更具弹性的电网、寿命更长的笔记本电池、更多的电动汽车，以及更多地使用来自刮风、阳光或流水的可再生能源。
对于电网规模的电池来说，识别合适的材料并将其结合起来创造一种新的储能配方，是世界利用和储存可再生能源能力的关键一步。最广泛使用的电网规模电池使用锂离子技术，但这些电池很难以对电网最有用的方式逐个定制，而且存在安全问题。氧化还原液流电池是一种日益增长的替代品；然而，大多数使用钒，这是昂贵的，不容易获得，并容易出现价格波动。这些特点阻碍了大规模电网规模的储能。
液流电池的替代材料包括有机分子，有机分子比钒更易获得、更环保、更便宜。但是有机物没有很好地满足液流电池技术的需求，通常比要求的要快。分子的长期稳定性很重要，因此它们可以保持多年的化学反应能力。
领导液流电池团队的PNNL科学家王巍说:“这些有机材料是由最常见的材料制成的——碳、氢和氧。“它们很容易获得；它们不需要像钒这样的物质那样被开采。这使得它们对电网规模的储能非常有吸引力。”
在《科学》杂志的论文中，王的团队展示了低成本的有机芴酮，令人惊讶的是，它不仅是一个可行的候选物，而且在储能方面也是一个杰出的表现者。
在模拟真实环境的实验室测试中，PNNL电池连续运行了120天，只有在与电池本身无关的其他设备磨损时才结束。电池经历了1111个完整的充电和放电周期——相当于正常情况下的几年运行——并且损失了不到3%的能量。其他有机基液流电池的运行时间要短得多。
该团队创造的液流电池只有大约10平方厘米，大约有一个大邮票那么大，并且输出大约500毫瓦的功率，甚至不足以给手机摄像头供电。但这种微小的结构体现了巨大的希望:它的能量密度是目前使用的va nadium电池的两倍多，其化学成分廉价、持久且广泛可用。
分子工程使芴酮逆转
这一进展归功于一个科学家团队，包括第一作者冯若竹、技术带头人张鑫等人。
PNNL科学家在开发今天使用的钒基液流电池中发挥了重要作用。几年前，该团队将注意力转向有机分子，因为它们的可用性广、成本低。2018年，张加入该团队，致力于为能源存储调整材料，带来了以前在发光二极管研究中获得的关于芴酮的深入知识。
芴酮也用于太阳能电池板、药物(如治疗疟疾的药物)和蜡烛，以赋予它们令人愉快的气味。它价格低廉，是煤焦油和苯甲酸(一种常见的食品添加剂)生产过程中的废物。
张将他的注意力集中在作为水性(水基)液流电池核心的芴酮上，但是存在障碍。首先，分子的水溶性不够。该分子在水溶液中没有表现出氧化还原可逆性；也就是说，科学家们还没有证明它可以轻松接受和捐赠电子，这是液流电池的两个互补和强制性步骤。
冯创造了一系列复杂的化学步骤——王称之为“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，这个过程的一部分很容易:在一个被称为还原的过程中获得一个电子。但在冯的强烈化学劝说下，这一过程的另一半——氧化，即失去一个电子——才得以实现，这一过程是可逆的，也适合储存能量。
出乎意料的是，冯发现芴酮进行可逆反应的能力取决于其浓度——溶解在水中的物质越多，可逆反应就成为可能。科学家以前从未见过有机分子的这种现象。
“这是利用分子工程将一种被广泛认为不可能使用的材料转变成对能量储存有用的材料的一个很好的证明，”王说。"这打开了我们可以探索的重要的新化学空间."
该团队还增加了芴酮在水中的溶解度，根据对化合物的修饰，从几乎0增加到1.5摩尔/升。在水基液流电池中的溶解度至关重要；这种材料在水中溶解得越多，它就越容易在电池核心的电子交换中成为化学伙伴。
PNNL正在鼓励基于芴酮的水性氧化还原液流电池的商业化，并且作为第一步，已经申请了这项创新的专利。
液流电池的研究是PNNL开发和测试电网规模储能新技术的大型项目的一部分。今年早些时候，PNNL被选为电网存储发射台的所在地，这是能源部电力办公室为加速大型电网电池的开发和测试而创建的设施。一个主要目标是增加容易获得的材料的使用，降低成本，使可再生能源的长期储存成为可能。
除了冯、张和王，作者还包括科学家维贾古玛·穆鲁根、阿龙·霍拉斯、、邵玉燕、埃里克·瓦尔特、娜迪沙·韦拉拉、闫立涛和凯文·罗索。在美国能源部科学办公室的用户设施EMSL环境分子科学实验室，使用质谱和核磁共振进行了几次测量。
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