美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员利用水处理设施中常见的丰富化学物质，推出了一种新的电池设计，有望重塑可再生能源存储的格局。这一发展标志着朝着充分利用风能和太阳能等可再生能源潜力迈出的关键一步，以应对向更可持续的能源电网过渡中最紧迫的挑战之一。
手边的创新
这项突破性研究的核心是一个实验室规模的铁基流电池，以其无与伦比的循环稳定性和效率而著称。通过细致的实验，PNNL团队已经证明，他们的电池设计可以承受一千多个连续充电周期，保持其最大容量的98.7%——这一壮举大大超过了现有替代品的性能。
这种新的电池设计采用了独特的液体化学公式，特别是一种名为三磷酸氮、硝基甲基膪酸（ nitrogenous triphosphate, nitrilotri-methylphosphonic acid, NTMPA）的中性pH磷酸盐基液体电解质。这种物质已经大量生产用于水处理以抑制腐蚀，为能量存储提供了巧妙的解决方案。它允许以稳定、高效和具有成本效益的方式在化学键中储存能源，从而为将可再生能源纳入国家电网提供了关键组成部分。
对可再生能源存储的影响
对有效储能解决方案的需求从未如此迫切。随着世界从化石燃料转向应对气候变化，储存风能和太阳能等间歇性能源的能力变得至关重要。PNNL的铁基流电池正面满足了这一需求，提供了一种可扩展且安全的能源存储方法。
流电池的特点是其双室设计和电解质液体的连续流动，长期以来因其在大规模储能应用中的潜力而得到认可。与传统电池不同，流电池可以以任何规模部署，从为小型实验室供电到为整个城市的电网提供备用电源。PNNL的创新通过提高效率和可持续性增强了这种多功能性。
幕后技术掌握
PNNL团队的成功不仅仅是创新使用NTMPA的结果；它也证明了他们严格而复杂的电池设计方法。通过对浓缩的Fe-NTMPA2阳极与Fe-CN阴极配对的全电池单元测试，研究人员展示了电池在循环稳定性和能效方面的卓越性能。此外，密度泛函理论（DFT）分析为Fe-NTMPA2复合物的配位结构（coordination structures）提供了重要的见解，揭示了支撑电池显著稳定性和效率的机制。
此外，光谱表征，包括X射线吸收光谱和衰减总反射傅里叶变换红外光谱，有助于验证Fe的氧化状态和评估Fe-NTMPA2复合物在不同电荷状态下的稳定性。这些技术成就不仅凸显了新电池设计的可行性，还凸显了PNNL团队致力于理解和优化其创新解决方案的各个方面。
展望未来：商业化及超越的道路
尽管其早期结果有希望，但从实验室规模的原型到商业上可行的产品的旅程充满了挑战。然而，PNNL团队对未来持乐观态度。已经计划进一步提高电池的性能，重点是通过调整电压输出和电解质浓度来增加其能量密度。
这项技术对可再生能源部门的潜在影响是深远的。通过提供可靠高效的能源储存手段，铁基流电池可以在稳定电网、促进更广泛地采用可再生能源以及最终促进全球减缓气候变化的努力方面发挥关键作用。
此外，使用可以丰富获得的材料不仅确保了这项技术的可持续性，而且在能源独立和安全方面符合更广泛的人类利益。正如PNNL的高级科学家和该研究的高级作者指出的那样，这项研究背后的动机是开发既富含地球又可以在国内采购的电池材料，从而为更可持续和更安全的能源未来做出贡献。
