作为应对长期能源存储挑战的一部分，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开发了一种水溶性化学添加剂，增强了溴化物水溶液流动电池的效率，这是一种电化学存储。
随着太阳能和风能的快速增长，拥有安全且负担得起的电池来存储这种可能间歇性的可再生能源至关重要。
威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们在解决长期存储问题方面取得了进展，创造了一种创新的水溶性添加剂，提升了溴化物水溶液流动电池的功能。
根据化学专业的最近博士毕业生帕特里克·沙利文表示：“基于溴化物的水溶液流动电池是一种潜在有效的解决方案，但它们面临几个复杂的电化学挑战。因此，我们目前看到的成功的基于溴化物的产品非常少。然而，我们的添加剂可以同时解决多个问题。”
与博士生崔侨勋和材料科学与工程的助理教授冯大维一起，沙利文参与了添加剂的开发，他们的研究于2024年10月23日发表在《自然》杂志上。
目前，大型锂离子电池组，通常是拖车卡车的大小，被用于储存电网的能量，但它们存在技术限制。锂电池带来了安全风险，包括火灾和爆炸的可能性，以及复杂的全球供应链。
相比之下，水溶液流动电池可能为大规模能源存储提供更安全且更具成本效益的替代方案。这些电池通过让正负液体电解质在通过膜分隔的电极上流动来工作。利用溶解在水中的离子可以实现可扩展性、可持续性和安全性。
目前使用的最先进流动电池依赖于钒离子，类似于锂，价格昂贵且难以获取。相比之下，另一种使用溴化物的流动电池提供了更便宜且更 readily available的选择，理论上与钒的性能相似。
然而在实践中，小溴化物离子在流动电池中存在许多挑战。它们可以穿过分隔电极的膜，从而降低电池效率。在某些情况下，这些离子可以从电解质中结晶成混乱的残留物，沉积在底部。此外，它们还可以产生有害的溴气。这些因素显著损害了实际性能和可靠性。
向电池系统添加一个络合剂可能提供解决方案。崔侨勋开始寻找可以增强溴化物水溶液流动电池性能的添加剂。研究人员成功设计和构建了500多种被称为“软硬两性捕获剂”的候选有机分子，并检验了其中13种以识别有效的添加剂。
最终的多功能添加剂有效解决了流动电池面临的关键问题。它们能够在保持溶解于水的同时封装溴化物离子，由于其增大的体积，这些离子无法再穿过膜。此外，这些“相稳定”的离子不会从电解质结晶或释放有毒的溴气。
值得注意的是，这些添加剂大大提高了电池性能，延长了效率和寿命。“使用该添加剂的设备在近两个月内保持功能，而没有它的设备通常在一天内就会失效，”冯说。“对于绿色能源存储来说，这是至关重要的，理想情况下需要持续10到20年。”
研究团队计划进一步改进他们的工作。崔将深入研究控制溴化物和碘化物流动电池添加剂的基础科学，而沙利文，他还是与冯共同创办的可再生能源初创公司Flux XII的首席执行官，将研究这种已经在工业规模生产的添加剂的商业前景。
冯大维担任材料科学与工程的Y. Austin Chang助理教授。来自威斯康星大学麦迪逊分校的其他贡献作者包括许亮、李文杰、李宽平、孔浩宇、山姆·盖斯勒和JR·施密特。
