新工具显示了大规模存储可再生能源的前进道路

 
基于MRI原理的技术使研究人员不仅能够观察用于大规模储能的下一代电池如何工作，而且还能观察它们如何发生故障，这将有助于制定延长电池寿命以支持电池寿命的策略。向零碳未来过渡。
剑桥大学研究人员开发的新工具将帮助科学家设计出更高效，更安全的电池系统，用于电网规模的储能。另外，该技术可以应用于其他类型的电池和电化学电池，以解开在这些系统中发生的复杂反应机理，并检测和诊断故障。
研究人员在有机氧化还原液流电池上测试了他们的技术，有望使候选人存储足够的可再生能源为城镇供电，但对于商业应用而言，降解速度太快。研究人员发现，通过以较低的电压对电池充电，它们能够显着降低降解速度，从而延长了电池的使用寿命。结果报告在《自然》杂志上。
电池是从化石燃料为基础的能源过渡过程中至关重要的部分。如果没有能够网格规模存储的电池，将不可能仅使用可再生能源为经济提供动力。锂离子电池虽然适用于消费类电子产品，但是却无法轻易扩展到足够大的尺寸来存储足够的能量来为整个城市供电。锂离子电池中的易燃材料也构成潜在的安全隐患。电池越大，着火可能造成的潜在损害就越大。
氧化还原液流电池是解决这一技术难题的一种可能的解决方案。它们由两个电解液罐组成，一个为正极，一个为负极，只需增加罐的大小即可放大，使其非常适合可再生能源的存储。这些房间大小甚至建筑物大小的不易燃电池可能在未来的绿色能源网格中发挥关键作用。
几家公司目前正在开发用于商业用途的氧化还原液流电池，其中大多数使用钒作为电解质。然而，钒价格昂贵且有毒，因此电池研究人员正在努力开发一种基于有机材料的氧化还原液流电池，这种材料更便宜且更具可持续性。但是，这些分子倾向于快速降解。
剑桥大学化学系的Evan Wenbo Zhao博士说：“由于有机分子易于迅速分解，这意味着大多数将它们用作电解质的电池不会持续很长时间，因此不适合商业应用。”第一作者。 “虽然我们已经知道了一段时间，但我们并不总是了解为什么会这样。”
现在，赵和他在剑桥的克莱尔·格雷教授的研究小组的同事，以及来自英国，瑞典和西班牙的合作者，已经开发出两种新技术来观察有机氧化还原液流电池，以了解电解质为什么会分解并改善其性能。
通过使用“实时”核磁共振(NMR)研究，一种功能性的“电池MRI”以及Grey教授小组开发的方法，研究人员能够从有机分子的原始状态和初始状态读取共振信号。因为它们降解成其他分子。这些对氧化还原液流电池的降解和自放电的“操作数” NMR研究提供了对反应内部潜在机制的深刻见解，例如溶液中不同氧化还原活性物质之间的自由基形成和电子转移。
Grey说：“有机氧化还原液流电池的原位机理研究很少，这些系统目前受到降解问题的限制。” “如果我们要在这一领域取得进展，我们既需要了解这些系统如何工作，也要了解它们如何失败。”
研究人员发现，在某些条件下，有机分子倾向于更快地降解。 “如果我们通过在较低的电压下充电来改变充电条件，则电解液的寿命会更长，”赵说。 “我们还可以改变有机分子的结构，使它们降解得更慢。我们现在更好地理解了为什么电荷条件和分子结构很重要。”
现在，研究人员希望将其NMR装置应用于其他类型的有机氧化还原液流电池以及其他类型的下一代电池，例如锂空气电池。
Grey说：“这种方法在监测各种电化学系统运行时，其潜在的广泛应用使我们感到兴奋。”
例如，核磁共振技术将用于开发便携式电池“健康检查”设备以诊断其状况。
“使用这种装置，可以检查运行中的有机氧化还原液流电池中电解质的状况，并在必要时进行更换，”赵说。 “由于这些电池的电解液价格便宜且无毒，这将是一个相对简单的过程，从而延长了这些电池的寿命。”