為非電池存儲(chǔ)太陽(yáng)能鋪平了道路

材料化學(xué)家多年來(lái)一直在嘗試制造一種新型電池，它可以將太陽(yáng)能或其他光源能量存儲(chǔ)在化學(xué)鍵而不是電子中，這種電池可以按需釋放能量，而不是電能 - 解決了長(zhǎng)時(shí)間的需求 - 太陽(yáng)能，穩(wěn)定，高效的儲(chǔ)存。

現(xiàn)在，由Dhandapani Venkataraman領(lǐng)導(dǎo)的馬薩諸塞州阿默斯特大學(xué)的一組材料化學(xué)家，博士。學(xué)生和第一作者Seung Pyo Jeong，Ph.D。學(xué)生Larry Renna，Connor Boyle和其他人報(bào)告說(shuō)，他們通過(guò)開發(fā)基于聚合物的系統(tǒng)解決了該領(lǐng)域的一個(gè)主要障礙。它可以產(chǎn)生能量?jī)?chǔ)存密度 - 儲(chǔ)存的能量 - 比以前的聚合物系統(tǒng)高出兩倍多。詳細(xì)信息出現(xiàn)在當(dāng)前的科學(xué)報(bào)告中。

Venkataraman和Boyle說(shuō)，聚合物體系中先前的高能量存儲(chǔ)密度在200焦耳/克范圍內(nèi)，而他們的新系統(tǒng)平均能達(dá)到每克510焦耳，最高可達(dá)690.Venkataraman說(shuō)， “理論說(shuō)我們應(yīng)該能夠達(dá)到每克800焦耳，但是沒(méi)人能做到。本文報(bào)道我們已達(dá)到聚合物體系中每克儲(chǔ)存的能量密度最高的一種，以及我們是如何做到的。”

作者說(shuō)，隨著能量存儲(chǔ)密度的提高 - 隨著他們的工作現(xiàn)在接近鋰電池的容量 - 新技術(shù)的應(yīng)用包括太陽(yáng)能墊這樣的可能性，白天從太陽(yáng)收集能量，然后存儲(chǔ)它用于加熱食物，晚上的生活空間，衣服或毯子。博伊爾指出，這種方法在無(wú)法接入電網(wǎng)的地區(qū)尤為重要。

Venkataraman說(shuō)，如果沒(méi)有Jeffrey Grossman在麻省理工學(xué)院的早期理論工作，他的團(tuán)隊(duì)成就可能是不可能的：“如果沒(méi)有他的論文和他對(duì)理論的看法，我認(rèn)為我們不會(huì)得到今天的狀態(tài)。” 格羅斯曼曾建議，如果常用的化合物偶氮苯分子沿剛性碳納米管排列，可能會(huì)達(dá)到更高的能量密度。這個(gè)框架將允許科學(xué)家操縱分子相互作用，這決定了吸收和釋放多少能量。

Venkataraman解釋說(shuō)，“我們理解控制排列的想法，但我們想，如果我們使用柔性聚合物，而不是剛性管怎么辦?像一串圣誕燈，其中的燈是偶氮苯分子。因?yàn)槟悴荒茏鍪裁词褂锰技{米管減少分子之間的距離。我們認(rèn)為聚合物鏈的結(jié)構(gòu)會(huì)讓偶氮苯基團(tuán)彼此靠近并相互作用，這就是它們獲得能量并變得更加穩(wěn)定的時(shí)候。

他補(bǔ)充說(shuō)，他們的想法很有效，“但我們不明白為什么。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是出乎意料的，所以我們不能就此止步。每次我的學(xué)生都找不到原因不明的高數(shù)字，我就把他們送回去做更多的對(duì)照實(shí)驗(yàn)理解和驗(yàn)證調(diào)查結(jié)果。我們必須持懷疑態(tài)度，因?yàn)槲覀兊玫搅艘粋€(gè)不尋常的結(jié)果。“

Venkataram說(shuō)：“故事的轉(zhuǎn)折是我們認(rèn)為琴弦中燈光之間的距離是最重要的。重要的是，更重要的是多個(gè)琴弦及其燈光的排列方式。事實(shí)證明，我們使用的加工溶劑用于排列和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，因此附著在聚合物上的偶氮苯分子排列得非常整齊和緊湊。它基本上起到確保最大填充密度的作用。

他們使用溶劑四氫呋喃(THF)進(jìn)行這種加工“僅僅因?yàn)樗沁@種聚合物體系的良好溶劑，”Boyle說(shuō)，并不懷疑它會(huì)影響儲(chǔ)存多少能量，然后在我們剛開始時(shí)釋放出來(lái)。

Venkataraman說(shuō)：“本文討論了在分子水平上THF如何影響我們?cè)诤暧^尺度上看到的能量。它首先從溶劑分子如何與聚合物相互作用開始，結(jié)果證明這與分子相關(guān)包裝，它們?nèi)绾卧诳臻g中排列。當(dāng)分子被正確包裝時(shí)，它們可以獲得更多的能量。它花了兩年的時(shí)間，但我們終于能夠證明這是真的。“

他補(bǔ)充說(shuō)，與薛定諤公司，總部設(shè)在紐約的一個(gè)科學(xué)的軟件和解決方案公司的科學(xué)家合作，也幫助了馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特科學(xué)家了解所觀察到的高的來(lái)歷起了關(guān)鍵作用的能量存儲(chǔ)密度。在Schrödinger的首席應(yīng)用科學(xué)家Shaun Kwak的帶領(lǐng)下，該項(xiàng)目獲得了必要的公司支持，他擁有力場(chǎng)技術(shù)Ed Harder和Wolfgang Damm的專家。

Kwak說(shuō)，“在最高級(jí)別與具有實(shí)驗(yàn)背景的科學(xué)家直接合作，在薛定諤中始終具有非常高的價(jià)值。” 他強(qiáng)調(diào)了他在整個(gè)合作中親眼觀察到的協(xié)同效應(yīng)。“它為我們提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，可以在大多數(shù)創(chuàng)新理念的邊緣展示計(jì)算化學(xué)的力量，例如本作品所示。”

材料化學(xué)家計(jì)劃跟進(jìn)這一發(fā)現(xiàn)，努力解決與系統(tǒng)充電相關(guān)的一些實(shí)際問(wèn)題，因此他們尚未制造電池，但即將到來(lái)。這項(xiàng)工作得到了UMass Amherst的支持。