近日，哈佛大学约翰·鲍尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种新型液流电池(flow battery)。在这种电池中，能量将被储存在一种新型水溶性有机分子中。这一新的化学物质使得生产无毒且无腐蚀性的电池不再是传说。与此同时，这种电池还拥有极长的使用寿命，并具有大幅降低生产成本的潜力。

这项研究由哈佛大学材料与能源技术Gene& Tracy Sykes 讲席教授迈克尔·阿齐兹(Michael Aziz)，以及化学与材料科学系Thomas Dudley Cabot讲席教授罗伊·戈登(Roy Gordon)共同领导的。研究的相关论文已发表于《ACS 能源快报》上。

液流电池能够将我们所需的能量存储于液体溶液中，这就意味着，储料罐的容积越大，电池能够存储的能量就越多。由于理论上具有无限的使用寿命，液流电池是一项前景十分光明的技术，目前的一大应用方向就是作为可再生、间歇性能源(如风和太阳能)的储能设备(为了保证无法发电时的能源供给)。

然而目前所有的液流电池仍然同其他电池一样，在经历了多次的充放电循环后，能量存储能力会日益衰退。因此，为了维持液流电池的储能水平，使用者们必须对电解质溶液进行定期维护。

如今，这支来自哈佛的研究团队，设计出了一款每1000次充放电循环，仅损失其容量的百分之一的液流电池。他们对正负电介质溶液中的分子进行了改性，不但实现了这些分子的水溶性，还达到了一些意想不到的效果。

阿齐兹说，“锂离子电池在经过1000次完全充放电的循环前，可能就已经损坏了。”

戈登表示，由于电解质是水溶性的，电池的安全性将大幅提高，你甚至可以将这一款长效电池直接放置在自家的地下室里。因为即使电解液溢出到了地板上，它也不会腐蚀混凝土。此外，正是由于电解质完全无腐蚀性，构建电池的组件，如储料罐和泵等，就可以使用更加便宜的材质，这也将大幅降低电池的生产成本。

成本是所有能源技术的关键。美国能源部(DOE)已经设定了一个新目标，即将储能电池的成本降低到每千瓦时<100美元。这一目标一旦实现，将大幅降低风能和太阳能的成本。进而增加可再生能源相较于传统发电厂的竞争力。

阿齐兹说，“如果能够接近这个目标成本，我们就能够改变世界了。而如果能把电池建造在这么多地方，又将进一步扩大电池的成本优势。这项研究使得我们离实现这一目标更进了一步。”

美国能源部电力办公室能源存储研究主管伊姆雷·杰克(Imre Gyuk)说：“这项关于水溶性有机电解质的项目对于指导未来电池的研究方向具有重要意义。这一电池不仅提高了循环寿命，还大大降低了成本。我预计：高效，持久的液流电池最终将成为电网基础设施的一部分。”

哈佛大学的博士后研究员，同时也是这篇论文的第一作者尤金·贝赫(Eugene Beh)说：“设计电池的关键在于找出之前电池中电解质在中性溶液中快速降解的原因。贝赫首先研究了负电解质中的紫罗碱(viologen)的分解机理，随后对其分子结构进行有效改造，从而提升了其抗分解能力。”

与此同时，研究团队将目光转向了二茂铁(环戊二烯基铁)这种具有出众电化学性质的分子，并将其用于正电解质中。

“二茂铁非常适合储存电荷，但完全不溶于水，”贝赫说，“在其他的电池研究中，这一材料常常用于一些易燃且昂贵有机溶剂之中。”

研究团队随后也对二茂铁分子进行了改造。功夫不负有心人，他们最终使得这种原本不溶于水的分子，变成了一种可以稳定循环，而且高度可溶的分子。

阿齐兹说，“水溶性二茂铁代表了一种可用于液流电池的全新分子。”

除此之外，pH中性的电解液还特别有助于降低(用于分隔电解液的离子选择性渗透膜的)成本。为了能够承受电解液的腐蚀性，目前市场上液流电池所使用的离子膜大多为价格高昂的高分子聚合物。这些聚合物的成本，占到了设备总成本的三分之一。而哈佛团队研发的新型液流电池，由于电解液的主体为盐水，因此可以使用价格低廉的碳氢化合物来制作离子膜。

这一研究得到了美国能源部电力交付和能源可靠性机构及美国能源部高级研究计划署能源部的支持。

在哈佛的技术开发办公室(OTD)的帮助下，研究人员正在与几家公司合作，对离子选择膜与电解质之间的相互作用进行优化，同时将电池的尺寸与规模扩大，以确保能最终投入工业应用。哈佛OTD已经提交了一系列关于液流电池技术创新的专利申请。