如果能将夏日里风力涡轮机产生的能量储存到一月，用于严冬的供暖，那该多好？这或许将成为现实。据外媒报道，蒙特利尔大学（Université de Montréal）化学系的一个研究团队与康考迪亚大学（Concordia University）的研究人员合作开发新型有机分子AzoBiPy，这种分子能够储存电荷数月之久，且能量几乎没有损失。相关研究成果发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

图片来源： 蒙特利尔大学

研究人员在实验室的氧化还原液流电池中对AzoBiPy进行了为期70天的测试。结果表明，该分子具有极佳的稳定性，每天仅损失0.02%的容量。此外，它的储能能力是大多数同类分子的两倍，并且具有很高的水溶性——这两个特性对于最大限度地提高大规模储能系统的效率至关重要。

该研究团队由蒙特利尔大学的Hélène Lebel教授和Dominic Rochefort教授以及康考迪亚大学的Marc-Antoni Goulet教授领导，旨在寻找解决太阳能和风能间歇性问题的方案，因为间歇性是它们全面并入电网的主要障碍。

液流电池与传统电池

液流电池的工作原理与传统电池不同。传统电池，例如家用电器中的碱性电池和电动汽车中的锂离子电池，将电荷存储在电池内部的电极中。这些技术中的活性材料含有金属，而且规模化生产非常复杂。

“液流电池的不同之处在于，我们使用一种由可再生有机分子组成的活性材料，该活性材料溶解在水溶液中，并储存在电池外部，”Rochefort说道。

该系统使用两个独立的储液罐，分别盛装电解液（水、酸和有机分子），并通过管道连接至中央电池。储液罐越大，储能容量越大。电池内部有一层膜，两个储液罐中的液体在膜的阻挡下流动，互不混合。

“分子不会穿过膜进入另一个储液罐；它们仅通过自身电极，经由外部电路交换电子，”Rochefort解释道。

氧化还原反应（或称氧化还原反应）正是在此接触点发生。电池正是通过这一过程进行充放电。储液罐中储存的能量与电池中产生的能量是分离的，这意味着可以根据需要独立调节这两个参数。

用有机分子替代钒

商用液流电池已上市。这类电池通常两端都使用钒。钒是一种具有优异电化学性能的金属，但它不可再生——因此人们正在寻找有机分子来替代电池的至少一侧。

“我们开发的有机分子含有碳、氢、氮和氧：它能溶于水和酸，并被氧化以驱动储能反应，”有机合成专家Lebel说道。

她和她的团队测试了不同的分子基团，以确定最有效的储能基团。这项工作最终促成了AzoBiPy的诞生，AzoBiPy是吡啶鎓分子家族的成员，其分子结构中含有带正电荷的杂芳环，能够促进电子交换。

“目前，我们从一些专业公司购买一些基础分子，”Lebel表示，“但我们也在探索从木材或食物残渣中提取的生物基分子。”她补充说，这种方法有望从可再生材料中提取所需的有机分子。

稳定性挑战

AzoBiPy的主要优势在于它可以交换两个电子，而不是一个。这意味着每个分子可以储存的能量是单电子分子的两倍，从而使系统的容量翻倍。

“但这些有机分子面临的最大挑战是稳定性，”Lebel表示。“必须确保充放电循环能够长时间进行，而分子不会发生分解。”

AzoBiPy在这方面表现出色。研究团队测试了一种基于该分子的液流电池，连续运行70天，完成了192次完整的充放电循环。试验结束时，该分子仍保持了近99%的初始容量——研究人员称这种性能对于有机分子而言堪称卓越。

从实验室到应用

在2024年12月化学系举办的节日派对上，原型液流电池进行了一场精彩的演示：仅使用约两汤匙水溶液，电池就为一组圣诞树彩灯供电长达八小时。

此次演示也突显了该系统的另一项主要优势：它采用水基材料，因此不易燃，这与存在火灾隐患的锂离子电池截然不同。“对于大型固定式储能设施而言，这一特性尤为重要，”Rochefort说道。

利用AzoBiPy等分子驱动的液流电池可用于存储太阳能或风力发电场产生的电力。长期存储间歇性产生的电力，使其能够在日后用于满足高峰用电需求。

此外，该技术还可能应用于住宅领域。“或许可以开发出更环保、更安全的家用小型系统，”Lebel表示。

研究团队正在撰写专利申请，并已着手进行后续工作。“我们正在撰写一篇科学论文，介绍一类性质与AzoBiPy类似的分子，”Lebel说道。“一整类具有可再生能源存储潜力的化合物正等待着我们的探索。我们预计这项技术将在10到15年内得到更广泛的应用。”