密歇根大學(xué)的一項(xiàng)最新研究表明，在柵極級電池中促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的方法與研究人員所認(rèn)為的不同。這一發(fā)現(xiàn)是朝著更有效地儲存可再生能源邁出的一步。

隨著世界各國政府和公共事業(yè)部門推出風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源，我們?nèi)匀灰蕾嚸禾俊⑻烊粴夂驮陲L(fēng)不刮、太陽不照的情況下提供能源。電網(wǎng)規(guī)模的“流動”電池是一個建議的解決方案，儲存能量供以后使用。但因?yàn)樗鼈冃什桓撸运鼈冃枰蠖嘿F。

在液流電池中，能量儲存在一對“電解液”中，電解液保存在電池的槽中，通過電池的工作部分來儲存或釋放能量。活性金屬從兩側(cè)的電極獲得或失去電子，這取決于電池是充電還是放電。一個效率瓶頸是電子在電極和活性金屬之間移動的速度有多快。

該研究的第一作者、化學(xué)工程博士生哈什·阿加瓦爾說：“通過最大化電荷轉(zhuǎn)移，我們可以降低流式電池的整體成本。”他在化學(xué)工程助理教授尼拉辛格的實(shí)驗(yàn)室工作。

研究人員一直在嘗試不同的化學(xué)組合來改善它，但他們并不真正知道在分子水平上發(fā)生了什么。這項(xiàng)發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》上的研究是最早對其進(jìn)行探索的研究之一。

辛格的研究小組發(fā)現(xiàn)，與研究人員所相信的相反，酸中帶負(fù)電的分子團(tuán)并沒有為電池負(fù)極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移提供更多的點(diǎn)。相反，他們降低了這種轉(zhuǎn)移的能量屏障，充當(dāng)了液體釩中活性金屬與電極之間的橋梁。這有助于釩放棄它的電子。

液流電池將一對“電解質(zhì)”液體儲存在不同的槽中。當(dāng)液體流過電池的工作部分時(shí)，電池儲存或釋放能量。活性金屬從兩側(cè)的電極獲得或失去電子，這取決于電池是充電還是放電。電子轉(zhuǎn)移的速度影響電池的效率。

NiralaSingh說：“我們的研究結(jié)果表明，橋接可能在使用過渡金屬的其他流電池化學(xué)中起著關(guān)鍵作用，但尚未得到充分的研究。這一發(fā)現(xiàn)不僅與儲能有關(guān)，也與腐蝕和電沉積領(lǐng)域有關(guān)。”

研究表明，通過控制液體電解質(zhì)中的酸與活性金屬的結(jié)合程度，可以調(diào)節(jié)液流電池的反應(yīng)速率。

阿加瓦爾說：“研究人員可以將這一知識應(yīng)用于電解液工程或電催化劑開發(fā)，兩者都是可持續(xù)能源領(lǐng)域的重要學(xué)科。”

Agarwal和Singh測量了五種不同酸性電解質(zhì)中釩與電極的反應(yīng)速率。為了更清楚地了解原子水平上的細(xì)節(jié)，研究小組使用了一種稱為密度泛函理論的量子力學(xué)模型來計(jì)算釩酸組合與電極的結(jié)合程度。這部分研究是由道康寧化學(xué)工程助理教授、論文合著者布萊恩·戈德史密斯和在戈德史密斯實(shí)驗(yàn)室工作的化學(xué)工程高級本科生雅各布·弗洛里安共同完成的。

在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，阿加瓦爾和辛格利用X射線光譜學(xué)發(fā)現(xiàn)了釩離子與不同酸接觸時(shí)如何自我配置的細(xì)節(jié)。密度泛函理論計(jì)算有助于解釋X射線光譜測量。這項(xiàng)研究也提供了第一個直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水是如何附著在釩離子上的。

這項(xiàng)研究的題目是“陰離子架橋?qū)2+/V3+異質(zhì)電荷轉(zhuǎn)移的影響”