麦迪逊——太阳能和风能正在迅速改变能源格局——但如果我们要充分发挥这些间歇性可再生能源的潜力，我们就需要能够储存这些能源的安全、负担得起的电池。
作为克服长期能量储存挑战的一部分，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们发明了一种水溶性化学添加剂，可以提高一种叫做溴化物水液电池的电化学储存性能。
“溴基水液电池是一种很有前途的解决方案，但它们存在许多复杂的电化学问题。这就是为什么今天没有真正成功的溴基产品，”2023年毕业于威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）获得化学博士学位的帕特里克·沙利文（Patrick Sullivan）说。“然而，我们的一种添加剂可以解决这么多不同的问题。”
Sullivan，博士生Gyohun Choi和威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程助理教授davwei Feng共同开发了这种添加剂。这项研究于2024年10月23日发表在《自然》杂志上。
目前，巨大的拖拉机拖车大小的锂离子电池组为电网储存能量，但存在技术限制。由于可能发生火灾和爆炸以及复杂的国际供应链，锂电池存在安全隐患。
然而，水液电池可以使电网规模的存储更安全、更便宜。在这些电池中，正负极液体电解质在由膜隔开的电极上循环。由于电池使用溶解在液态水中的离子，它们可以扩展，可持续和安全。
商业上最成熟的液流电池是基于钒离子的，像锂一样，钒离子昂贵且难以获得。然而，这种液流电池的另一种版本依赖于溴化物，这是一种廉价、广泛可用的离子，其性能与钒类似——至少在纸面上是这样。
然而实际上，微小的溴离子会在液流电池中引起各种各样的问题。它们可以穿过分隔电极的膜，这就降低了电池的效率。有时，离子从电解质中析出，形成一种杂乱的油，“下沉”到溶液的底部。偶尔，这些离子也会形成有毒的溴气体。这些问题阻碍了实际性能和可靠性。
一种叫做络合剂的添加剂可能会有所帮助。Choi开始寻找一种添加剂，以提高溴化物水液电池的性能。研究人员利用分子设计设计了500多种候选有机分子，他们称之为“软硬两性离子捕集器”。他们合成并测试了13种具有代表性的分子，作为溴化物电池的潜在添加剂。
由此产生的多功能添加剂解决了液流电池的主要问题。它包裹了溴离子，同时使它们保持水溶性，由于得到的复合物现在更大，它们不能穿过膜。这些离子也是“相稳定的”，这意味着它们不会从水中电解质中分离出来，也不会产生有毒的溴气体。
重要的是，这些添加剂显著提高了液流电池的性能，提高了化学系统的效率和寿命。冯说：“与没有添加剂的设备相比，我们的设备在将近两个月的时间里没有衰减，而没有添加剂的设备通常在一天内就会失效。”“这很重要，因为对于绿色能源储存来说，你想要使用它10年或20年。”
该团队计划继续完善这项工作。Choi将研究溴化物和碘化物液流电池添加剂背后的基础科学，而Sullivan将探索添加剂的商业可行性，该添加剂已经在工业吨级反应中成功生产。Sullivan是他与Feng共同创立的可再生能源衍生公司Flux XII的首席执行官。
冯大伟，材料科学与工程助理教授。其他威斯康星大学麦迪逊分校的作者包括吕秀良、李文杰、李光平、孔浩宇、山姆·盖斯勒和JR·施密特。
