将工业废物转化为能源存储的未来

摘要：为我们的手机、设备和汽车供电的电池严重依赖锂和钴等金属，这些金属是通过密集且对环境有害的采矿方式提取的。随着对基于电池的储能需求的增长，寻找这些基于金属的解决方案的替代品对于推进绿色能源转型至关重要。

西北大学的研究人员通过将废料转化为高效稳定的储能解决方案，重新定义了电池技术。

废物在电池中的首次利用：研究人员将工业废物（TPPO）重新用于氧化还原液流电池研究。

持久性能：电池经过 350 次充电循环后仍保留存储容量。

更接近商业用途：有机氧化还原液流电池接近电网规模的可行性。

利用废弃物开发电池技术取得突破

为我们的手机、设备和汽车供电的电池严重依赖锂和钴等金属，这些金属是通过密集且对环境有害的采矿方式提取的。随着对基于电池的储能需求的增长，寻找这些基于金属的解决方案的替代品对于推进绿色能源转型至关重要。

西北大学的研究人员取得了突破性进展，将一种工业废料转化为一种高效的储能材料。这种有机废物被称为三苯基膦氧化物 (TPPO)，已被重新用于氧化还原液流电池——一种专为大规模储能而设计的电池。虽然氧化还原液流电池已经得到了广泛的研究和开发，但这是 TPPO 首次得到利用，为可持续和可扩展的电池技术迈出了有希望的一步。

每年，许多有机工业合成过程（包括生产某些维生素等）都会产生数千吨众所周知的化学副产品，但这些副产品毫无用处，必须在生产后小心丢弃。

开创性的有机氧化还原液流电池

发表在《美国化学会志》上的一篇论文中，化学家们通过一种“一锅式”反应将 TPPO 转化为一种具有强大储能潜力的可用产品，为人们长期设想的电池类型——废物衍生的有机氧化还原液流电池的可行性打开了大门。

“电池研究传统上由工程师和材料科学家主导，”西北大学化学家兼主要作者 Christian Malapit 表示。“合成化学家可以通过分子工程将有机废物转化为储能分子，为该领域做出贡献。我们的发现展示了将废物化合物转化为有价值资源的潜力，为电池技术创新提供了一条可持续的途径。”

马拉皮特是西北大学温伯格文理学院化学系的助理教授。

利用有机分子推进储能

目前，氧化还原液流电池仅占电池市场的一小部分，预计 2023 年至 2030 年间，全球市场规模将增长 15%，达到 7 亿欧元。与将能量储存在电极中的锂电池和其他固态电池不同，氧化还原液流电池利用化学反应在电解质之间来回输送能量，并将能量储存在电解质中。尽管氧化还原液流电池的储能效率不高，但它被认为是电网规模储能的更好解决方案。

“有机分子不仅可以使用，而且可以实现高能量密度——更接近金属基竞争对手——以及高稳定性，”Malapit 实验室的博士候选人、论文第一作者 Emily Mahoney 说道。“这两个参数传统上很难同时优化，因此能够为废物衍生的分子展示这一点尤其令人兴奋。”

为了同时实现能量密度和稳定性，该团队需要找到一种策略，使电子能够紧密地堆积在溶液中，而不会随着时间的推移而损失存储容量。他们回顾过去，找到了一篇 1968 年的论文，该论文描述了氧化膦的电化学性质，据 Mahoney 说，他们“采用了它”。

然后，为了评估该分子作为潜在储能剂的弹性，该团队使用静态电化学充电和放电实验进行了测试，该实验类似于给电池充电、使用电池然后再次充电的过程，一遍又一遍。经过 350 次循环后，电池保持了良好的健康状态，随着时间的推移，容量损失几乎可以忽略不计。

“这是首次在电池研究中利用膦氧化物（有机化学中的一种功能基团）作为氧化还原活性成分，”马拉皮特说。“传统上，还原膦氧化物非常不稳定。我们的分子工程方法解决了这种不稳定性，为其在储能中的应用铺平了道路。”

与此同时，该团队希望其他研究人员能够承担起这一责任，开始与TPPO合作，进一步优化和提高其潜力。

该研究得到了西北大学、美国能源部基础能源科学办公室（DE-FG02-99ER14999）和美国国家科学基金会研究生奖学金的启动资金支持。