高分子链为非电动电池储存太阳能奠定基础


【概要】材料化学家多年来一直试图制造一种新型的电池,即能以化学键而不是以电子的形式储存太阳能或其他光源能源,而这种能源将以热能而不是电能的形式释放能量,其将会长期,稳定,高效地储存太阳能。麻省大学阿姆赫斯特分校的科学家们说,聚合物链像一串圣诞灯组成的一样,有助于储存能量。

不久前,由Dhandapani Venkataraman带领的Massachusetts Amherst大学的一批材料化学家,博士生Seung Pyo Jeong以及博士生Larry Renna,Connor Boyle等人报告说,他们通过开发聚合物基底系统解决了该领域的主要障碍之一。它可以产生能量储存密度,并储存的能量,可产生比以前的聚合物系统高两倍以上的能量。

Venkataraman和Boyle表示,之前聚合物系统获得的高能量存储密度为200焦耳每克,而他们的新系统平均能达到510焦耳每克,最高可达690焦耳每克。 Venkataraman说:“根据理论研究,我们应该能够达到每克800焦耳,但是并未做到。根据这篇论文的报道,我们已经实现了聚合体系每克存储能量密度的顶峰,并解释了我们是如何实现的。”

研究者们说,随着能源储存密度的提高,现在他们的研究工作目前专注于锂电池的能力-新技术的应用包括太阳能垫,这些太阳能垫能够在白天从太阳中收集能量,然后将其储存起来在晚上加热食物,为居住空间,衣物或毛毯等物品提供热能。Boyle 指出,这种方法在无法接入电网的地区尤其有价值与前景。

Venkataraman认为,如果没有 Jeffrey Grossman 在麻省理工学院的早期理论工作,这个小组是不可能实现目前的研究成果。他解释道:“如果没有他的论文和他对这个理论的想法,我不认为我们今天站在这个高度。”Grossman 曾经提出,如果常用的化合物,偶氮苯分子沿着刚性碳纳米管排列,则可以实现更高的能量密度。这个框架使得科学家调控分子的相互作用,这项操作可决定摄取和释放的能量。

Venkataraman解释说:“我们理解控制排列的想法,但是我们认为,如果我们使用柔性聚合物,而不是刚性管,那怎么办?就像一串圣诞灯,其中灯是偶氮苯分子,由于你无法在碳纳米管中减小分子间的距离,所以我们认为当它们获得能量并变得更加稳定时,聚合物链的结构会使偶氮苯基彼此靠近并相互作用。

他补充道,他们的想法虽然实现了,“但是我们不明白其基本原理,这个发现是出人意料的,所以我们不能停下来,每当我的学生用毫无头绪的高数来找我的时候,我就让他们去做更多的控制实验去理解和验证结果,我们必须对此保持怀疑,因为我们发现了一个不寻常的结果。”

Venkataraman说:“故事的要点在于我们认为弦线之间的距离是最重要的,这确实是重要的,但更重要的是仔细排列多根琴弦和灯光的方式。我们所使用的加工溶剂就是用来安排和调节结构的,所以连接在聚合物上的偶氮苯分子排列得非常整齐紧凑,这基本上确保了最大的填充密度。”

他们使用溶剂四氢呋喃(THF)进行此项处理,“这仅仅是因为它对这种聚合物体系来说是很好的溶剂,” Boyle 说,“但这并没有影响到我们刚开始时储存的能量和后来释放的能量。”

Venkataraman说:“这篇论文讲述了在分子水平上,THF是如何影响宏观能量的,它从溶剂分子如何与聚合物相互作用开始,事实证明这与分子的包装有关,即如何有效安排空间,当分子被正确包装后就可以获得更多的能量,在这个项目上我们花了两年的时间,但是我们终于可以证明这是可以实现的。”

Kwak说:“直接与具有最高水平实验背景的科学家一起工作,在薛定谔中具有很高的价值。” 他强调地比喻了他在整个合作过程中亲身观察到的协同效应。 “这为我们提供了一个很好的机会,展示了计算化学在大多数创新思想边缘的力量,正如本文所示,”他补充道。 材料化学家计划跟进这一发现,并努力解决与充电系统有关的一些实际问题,所以他们即将制造此类电池。

原文链接:Paving the way for a non-electric battery to store solar energy- ScienceDaily

文献链接:Paving the Way for a Non-Electric Battery to Store Solar Energy | Office of News & Media Relations | UMass Amherst

本文由材料人编辑部李妹编辑,点我加入材料人编辑部

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