一種廣泛應用于蠟燭中的化合物提供了一個更現代的能源挑戰(zhàn)的希望，儲存大量的能量在需要時被送入電網。

美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學家們已經證明，低成本的有機化合物有希望儲存電網能源。普通芴酮，一種亮黃色的粉末，起初是一個不情愿的參與者，但有足夠的化學條件下，它已被證明是流式電池系統(tǒng)（為電網儲存能量的大型系統(tǒng)）儲能的有力伙伴。

這種存儲的發(fā)展是至關重要的。例如，當電網因惡劣天氣而斷電時，正在開發(fā)的大型電池將啟動，提高電網的復原力，并最大限度地減少中斷。這些電池還可以用來儲存來自風能和太陽能的可再生能源，以便在風平浪靜或沒有陽光的時候使用。

由美國能源部電力辦公室支持的這項研究的細節(jié)，發(fā)表在5月21日的《科學》雜志上。

能源部電力辦公室儲能主任ImreGyuk說："液流電池技術是能源部在未來十年內降低電網儲能成本目標的一個關鍵部分。"進展迅速，成本已大幅下降，但還需要進一步研究，以使電網規(guī)模的儲能廣泛使用。"

用于電網的液流電池：走向有機

科學家們在創(chuàng)造更好的電池方面取得了巨大的進步--以更低的成本儲存更多的能量，并且比以前的時間更長。其結果觸及我們生活的許多方面，轉化為更有彈性的電網、更持久的筆記本電池、更多的電動汽車，以及更多地使用來自吹來的風、閃耀的太陽或流動的水的可再生能源。

對于電網規(guī)模的電池來說，確定正確的材料并將它們結合起來創(chuàng)造一個新的儲能配方，是世界利用和儲存可再生能源能力的關鍵一步。最廣泛使用的電網規(guī)模的電池使用鋰離子技術，但這些電池很難以對電網最有用的方式進行瞬間定制，而且存在安全問題。氧化還原液流電池是一個不斷增長的替代品；然而，大多數使用釩，而釩是昂貴的，不容易獲得，而且容易受到價格波動的影響。這些特點對廣泛的電網規(guī)模的能源儲存構成了障礙。

液流電池的替代材料包括有機分子，它們比釩更容易獲得、更環(huán)保、更便宜。但是，有機物還不能很好地滿足液流電池技術的要求，通常比要求的速度更快。分子的長期穩(wěn)定性是很重要的，這樣它們就能在許多年內保持其進行化學反應的能力。

這些有機材料是由最常見的材料--碳、氫和氧組成的，PNNL的科學家，領導流動電池團隊的王偉說："他們很容易獲得，不需要像釩這樣的物質那樣被開采。這使得它們對電網規(guī)模的能源儲存非常有吸引力。"

在《科學》論文中，Wang的團隊證明了低成本的有機芴酮，令人驚訝的是，它不僅是一個可行的候選者，而且在涉及能源儲存時表現突出。

在模仿現實世界條件的實驗室測試中，PNNL的電池連續(xù)運行了120天，只有在與電池本身無關的其他設備磨損時才結束。該電池經歷了1111個完整的充電和放電周期--相當于在正常情況下運行數年--并且損失了不到3%的能量容量。其他基于有機的液流電池的運行時間要短得多。

該團隊創(chuàng)造的液流電池只有大約10平方厘米，大約是一張大郵票的大小，并發(fā)出大約500毫瓦的功率，甚至不足以為手機攝像頭供電。但是這個微小的結構體現了巨大的前景：它的能量密度是目前使用的釩電池的兩倍以上，而且它的化學成分價格低廉，持久耐用，可以廣泛使用。

分子工程使芴酮發(fā)生逆轉

這項技術的發(fā)展得益于一組科學家，包括第一作者馮若珠、技術負責人張欣等人。

PNNL的科學家在開發(fā)今天使用的釩基流動電池方面發(fā)揮了重要作用。幾年前，由于有機分子的廣泛應用和低成本，研究小組將注意力轉向了有機分子。2018年，張加入了這個團隊，作為對儲能材料進行調整的一部分，他從之前的LED研究中獲得了對芴酮的深入了解。

芴酮也被用于太陽能電池板、治療瘧疾的藥物和蠟燭中，使它們散發(fā)出令人愉快的氣味。它價格低廉，是煤焦油和苯甲酸（一種常見的食品添加劑）生產過程中產生的廢物。

張把他的注意力集中在芴酮作為水性（水基）流動電池的關鍵不問，但也存在障礙。首先，這種分子的水溶性不夠。分子在水溶液中沒有表現出氧化還原可逆性；也就是說，科學家們還沒有證明它既能很容易地接受電子，又能提供電子，這是流動電池的兩個相輔相成的強制性步驟。

馮創(chuàng)造了一系列復雜的化學步驟，王稱之為“分子工程”——將芴酮轉化為氧化還原可逆的水溶性化合物。對于芴酮來說，這一過程的一部分很容易實現：在一個稱為還原的過程中獲得一個電子。但是，在合適的化學條件下，這一過程的另一半發(fā)生了氧化，失去了一個電子，從而使這一過程可逆并適合于儲能。

出乎意料的是，馮發(fā)現芴酮進行可逆反應的能力取決于它的濃度更多的物質溶解在水中使可逆性成為可能。科學家以前從未在有機分子上見過這種現象。

這是一個偉大的示范，利用分子工程改變一種材料，從一個普遍認為不可能使用到一些有用的能源儲存，王說這開辟了我們可以探索的重要的化學新空間。

研究小組還增加了芴酮在水中的溶解度，從幾乎0到1.5摩爾每升，這取決于對化合物的修飾。水基液流電池的溶解度至關重要；這種物質在水中溶解得越多，就越有可能成為電池核心電子交換的化學伙伴。

PNNL正在鼓勵基于芴酮的水性氧化還原液流電池的商業(yè)化，作為第一步，已經申請了這項創(chuàng)新的專利。

流動電池方面的工作是PNNL開發(fā)和測試電網規(guī)模儲能新技術大型項目的一部分。今年早些時候，PNNL被選為GridStorageLaunchpad的所在地。GridStorageLaunchpad是美國能源部電力辦公室（DOE'sOfficeofelectronic）創(chuàng)建的一個設施，旨在加速大型網格電池的開發(fā)和測試。一個主要目標是增加現成材料的使用，降低成本，使可再生能源的儲存時間更長。