新的工具为大规模储存可再生能源指明了前进的道路

一项基于MRI原理的技术使研究人员不仅能够观察下一代电池如何用于大规模储能，而且还能观察它们是如何失效的，这将有助于制定延长电池寿命的策略，以支持向零碳未来的过渡。
 
由剑桥大学研究人员开发的新工具将帮助科学家设计更高效、更安全的电网规模储能电池系统。 此外，该技术还可应用于其他类型的电池和电化学电池，以解开这些系统中发生的复杂反应机制，并检测和诊断故障。
 
研究人员测试了他们在有机氧化还原流动电池上的技术，有希望将足够的可再生能源储存到城镇和城市，但这些技术在商业应用中降解得太快。 研究人员发现，通过在较低的电压下给电池充电，它们能够显著减缓电池的降解速度，延长电池的寿命。 结果在“自然”杂志上报道。
 
电池是从以化石燃料为基础的能源过渡的重要组成部分。 如果没有能够进行电网规模存储的电池，仅使用可再生能源将无法为经济提供动力。 锂离子电池，虽然适合消费电子产品，但不容易扩大到足够的大小，以储存足够的能源，为整个城市供电，例如。 锂离子电池中的易燃材料也会造成潜在的安全隐患.. 电池越大，如果着火可能造成的潜在损害就越大。
 
氧化还原流动电池是解决这一技术难题的一个可能方法。 它们由两个电解质液体储罐组成，一个是正的，一个是负的，可以通过增加储罐的尺寸来扩大，使它们非常适合可再生能源储存。 这些房间大小的，甚至是建筑物大小的，不可燃的电池可能在未来的绿色能源电网中发挥关键作用..
 
几家公司目前正在开发用于商业应用的氧化还原流动电池，其中大多数使用钒作为电解质.. 然而，钒是昂贵和有毒的，因此电池研究人员正在努力开发一种基于有机材料的氧化还原流动电池，这种电池更便宜，更可持续.. 然而，这些分子往往会迅速降解。
 
剑桥大学化学系的赵文博博士说：“由于有机分子往往会很快分解，这意味着大多数电池作为电解质不会持续很长时间，因此它们不适合商业应用。 “虽然我们知道这一点已经有一段时间了，但我们并不总是明白为什么会发生这种。”
 
现在，赵和他在剑桥Clare Grey教授的研究小组的同事，以及来自英国、瑞典和西班牙的合作者，已经开发了两种新的技术来研究有机氧化还原流动电池内部，以了解为什么电解质会分解并提高其性能。
 
利用“实时”核磁共振(NMR)研究，一种功能的“电池核磁共振”，以及格雷教授小组开发的方法，研究人员能够读取来自有机分子的共振信号，无论是在它们的原始状态还是在它们降解成其他分子时。 这些关于氧化还原流动电池中降解和自放电的“操作”核磁共振研究提供了对反应内部潜在机制的见解，例如溶液中不同氧化还原活性物种之间的自由基形成和电子转移。
 
格雷说：“有机氧化还原流动电池的原位机理研究很少，这种系统目前受到降解问题的限制。” “如果我们要在这一领域取得进展，我们需要了解这些系统是如何运作的，以及它们是如何失败的。
研究人员发现，在一定条件下，有机分子往往降解得更快。 赵说：“如果我们通过在较低的电压下充电来改变充电条件，电解液就会持续更长的时间。” “我们还可以改变有机分子的结构，使它们降解得更慢。 我们现在更好地理解为什么电荷条件和分子结构重要。
 
研究人员现在希望将他们的核磁共振装置应用于其他类型的有机氧化还原流动电池，以及其他类型的下一代电池，如锂空气电池。
 
格雷说：“我们对这种方法在操作过程中监测各种电化学系统的广泛潜在应用感到兴奋。”
例如，核磁共振技术将用于开发一种便携式电池“健康检查”装置，以诊断其状况。
 
赵说：“使用这种装置，可以检查有机氧化还原流动电池中电解液的状况，必要时更换。” “由于这些电池的电解质价格低廉，无毒，这将是一个相对简单的过程，延长这些电池的寿命。