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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