密歇根大學(xué)的一項最新研究表明，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?、天然氣和在風(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。但因為它們效率不高，所以它們需要大而昂貴。

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?；钚越饘購膬蓚?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?！彼诨瘜W(xué)工程助理教授尼拉辛格的實驗室工作。

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。這項發(fā)表在《細(xì)胞報告物理科學(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。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，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)?！?/p>

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?！?/p>

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驗室工作的化學(xué)工程高級本科生雅各布·弗洛里安共同完成的。

在阿貢國家實驗室，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如何自我配置的細(xì)節(jié)。密度泛函理論計算有助于解釋X射線光譜測量。這項研究也提供了第一個直接的實驗驗證水是如何附著在釩離子上的。

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