【化學技術】儲能新選擇-「大黄」電池

■「大黃」是多種蓼科大黃屬的多年生草本植物的合稱,在中國主要當成藥材使用。近來研究人員發現從大黃中可以分離出一種有機化合物作為新型「液流電池」的主成份,「大黃」電池或許會發展成新的儲能工具。

編譯|何政穎

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來自植物的能量!? 與大黃成份分子結構類似的有機化合物在新一代的「液流」電池中扮演關鍵的角色(Eliza Grinnell/哈佛大學工程與應用科學學院)

為了減低因過度使用石化能源而造成的大量碳排放,再生能源的開發已蔚為風潮,其中風力發電和太陽能佔了目前世界新能源總發電量的7%。然而,一旦風力和太陽能的供電量提升至總需求量的20%,將會出現新的困境,因為現行儲能工具在無風或是陰天再生能源無法生產時,不足以提供充足的備載電力。在這種情況下,開發高效能的儲能電網勢在必行。

有鑑於此,科學家提出了許多具有潛力的儲能技術。其中現行主流的技術為抽蓄水力儲能系統,即利用離峰的電力將水抽至高處,在尖峰供電時放開水閘並帶動下游的發電機進行發電,但這顯然不適用於平地。而其他的儲能系統,例如傳統的電池,價格十分昂貴且有安全性上的考量。

近年來液流電池的發展備受矚目。有別於市售傳統電池將陰陽兩極的化學反應物質和電極封裝在一起,液流電池則是將陰陽兩極的化學反應物分別放入兩個獨立的反應槽內,兩種溶液以質子交換膜隔開,各自在陰陽兩極進行還原和氧化反應。 現階段最大的液流電池計畫為日本的全釩液流電池,藉由釩離子水溶液的氧化還原反應來進行充放電,並預計於2015年正式啟用。然而釩的價格十分昂貴,據統計全釩液流電池每儲存並提供1仟瓦小時的電能,釩的部分即價值81美元。若是再搭配其他的零組件則每1仟瓦小時成本高達350至700美元。根據美國能源部(U.S. Department of Energy)的規劃,未來的電網儲能技術每1仟瓦小時的電能目標成本為100美元以下,顯然這其中仍然有不小的差距。

研究人員利用這種化合物設計出高效能的「液流」電池,可望應用在未來的儲能電網。如果這樣的電池原型數量持續增加,那麼儘管是在無風或是陰天,也可以確保再生能源的供電無虞。

為了更靠近這項目標,由哈佛大學(Harvard University)物理學家Michael Aziz所領導的研究團 可能在未來再生能源的儲能系統中扮演重要的角色。研究團隊從大黃分離出來的有機分子「醌」(quinone)。「醌」,在很早以前就被發現具有優異捕捉與釋放電子的能力,這正好是電池成份的好材料。

Aziz和他的研究團隊將醌水溶液放置在一個槽內,並在另一個槽內放入液態溴,質子交換膜則位於兩個電極之間防止兩種液體直接接觸。每一個醌分子在放電的過程中釋出兩顆電子與兩顆質子,電子經由外部電路傳遞到另一個電極,溴得到電子反應成溴離子,與穿過質子交換膜的質子結合成溴化氫。電池充電時反應則反向進行。起初Aziz和他的學生測試了幾種醌類化合物在液流電池中的表現,但結果都不如預期,於是他們與同樣是哈佛大學的Alán Aspuru-Guzik教授合作,針對超過10,000種醌類分子結構的性質進行計算,最終找到了簡稱AQDSH2最適合作為電池材料的有機化合物。

Aziz和他的研究團隊表示這種新型的「醌-溴液流電池」結合了有機分子(醌)和無機分子(溴),不需要金屬,且在測試中能夠穩定提供相當的電力。最令人興奮的是,醌在許多植物甚至是原油當中含量豐富,因此價格也相對較便宜,醌和溴的價格僅僅為傳統釩的三分之一,這使的醌液流電池在價格上更具競爭力。這項成果已經發表在2014年1月的《Nature》期刊上。

對於這項新穎的「醌-溴液流電池」電池組,康乃狄克東哈特福德(East Hartford)聯合技術研究中心(United Technologies Research Center)的液流電池專家Mike Perry給予高度肯定,但Perry也提到溴具有高度的腐蝕性,顯示須有額外的花費用於設備防蝕。針對這一點Aziz表示目前他的研究團隊正在積極的找尋能夠取代溴的有機物。若能順利開發成功,這類新型的液流電池便可以為再生能源儲能電網增添一名生力軍,人類,也許可以逐漸擺脫受化石燃料發電的支配了。
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研究出處:'Rhubarb' Battery Could Store Energy of Future

譯者:何政穎 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:陳藹然

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