科学家将“液体阳光”装进瓶子，能量密度是锂电池两倍

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Science Daily

撰文| Bell

编辑 | 小澜

→这是《环球零碳》的1998篇原创

由于太阳能发电只在白天工作的间歇性，可再生能源一直面临一个重大挑战：如何储存太阳能以供夜间和阴天使用。

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员认为，他们可能已经找到了一种无需依赖庞大电池系统或电网的解决方案。

该校教授格蕾丝·韩及其研究团队最近在《科学》杂志上发表了一项突破性成果，他们开发出一种新型液态储能分子，可将太阳能以化学键形式储存，需要时再激活，而且能量密度是锂电池的两倍。

这项技术被称为分子太阳能热能（Molecular Solar Thermal）存储系统，简称MOST。

由于研究人员开发的分子可以直接溶解在水中，这项研究还有一个有趣的称呼——“瓶装阳光”。

这个“瓶装阳光”，跟我国科学家力推的“液态阳光”不太一样。后者是对于绿色甲醇的形象化比喻，而文中介绍的“瓶装阳光”，确实是可以被装起来的液体太阳能电池。

研究团队开发的核心分子叫做嘧啶酮，它的灵感来源出人意料——DNA。我们的遗传物质DNA在受到紫外线照射时，有概率产生一种叫做“杜瓦（Dewar）病变”的结构变化。

紫外线用这种方式造成了基因损伤，但科学家们反过来想：如果我们可以模仿这个过程，让一个类似分子在光照下能够可逆地改变形状，不就可以用来储存和释放能量了吗？

嘧啶酮分子在正常状态下处于一个相对稳定、能量较低的结构。而当它被紫外线照射时，分子内会发生一种“价键异构化”反应，变成了一个高度扭曲、充满张力的Dewar异构体。

图说：嘧啶酮衍生物的可逆光诱导Dewar异构化

来源：DOI：10.1126/science.aec6413

这个过程就像把一把拉开的弓固定住，能量被储存在了那根紧绷的“弓弦”里。这个异构体非常稳定，在室温下的半衰期最长可以达到三年之久，意味着它可以长期保存太阳能而不会自行泄漏。

当需要释放热量时，只需要加入一点酸作为催化剂，这个紧张的结构就会瞬间“啪”的一下弹回它原本松弛的嘧啶酮形态，把储存的能量以热的形式全部释放出来。

研究人员通过精妙的设计，让这个分子在光充电和热放电之间循环了超过20次，性能几乎没有衰减。

这项研究最令人瞩目的成果在于它的能量密度。经过优化的1,4,6-三甲基-2-嘧啶酮化合物，每公斤可以储存1.65兆焦耳的能量。

对比一下，传统锂离子电池的能量密度大约是每公斤0.9兆焦耳，而前几代光储能材料如降冰片二烯类MOST分子通常也只有0.97左右。

这意味着，这种新型嘧啶酮分子单位重量储存的能量几乎是锂电池的两倍，也是目前已知所有MOST材料中最高的。

研究团队是怎么做到的呢？关键在于他们对分子做了“减法”。

他们刻意选择了最小的取代基——甲基，而且只在必要的位置上添加。分子越轻，单位质量能储存的能量就越高。

同时，他们在分子中引入了氮原子，形成了一条比碳-碳键更容易断裂和重构的碳-氮键，这进一步加大了稳定态与亚稳态之间的能量差。

为了证明这个分子不是实验室里的花架子，研究团队做了一个非常直观的实验。

他们把Dewar异构体溶解在水中，加入盐酸，结果在短短1.8秒内，溶液温度飙升了40摄氏度。

他们进一步加大了用量，用107毫克的Dewar分子，在0.46毫升的水中触发反应，这次水直接沸腾了，温度上升了76度，并且观察到了明显的气泡产生。

沸腾持续了大约1秒钟。这是该领域第一次用存储的太阳能在常温常压下煮沸水。

要知道，水具有很高的比热容和汽化潜热，把水烧开是非常耗能的。这个实验直观地证明了这种分子燃料的能量密度已经达到了可以驱动实际应用的水平。

图说：光学和红外图像显示了Dewar分子溶液在酸触发释放热量过程中的物理和温度变化

来源：DOI：10.1126/science.aec6413

这项技术的应用十分具有想象空间。

研究人员表示，由于这种材料可溶于水，未来或许可以在通过屋顶太阳能集热器搭配储罐循环利用，为家庭提供热水和供暖。

白天，阳光照射屋顶集热器，分子“充能”变成高能量的Dewar形式，然后流入地下室的一个普通储液罐里。这个储液罐不需要特殊的保温措施，因为能量被稳定地锁在化学键中，可以保存数月甚至数年。

到了晚上需要热水洗澡或者给房间供暖时，只需要让液体流过一个小小的装有固体酸催化剂的装置，分子就会瞬间释放热量，通过热交换器加热家里的水。

释放完能量的分子又变回了原来的嘧啶酮，循环回屋顶的管道中，准备迎接第二天的阳光。整个过程不需要任何稀有金属，材料本身可以反复使用成千上万次。

“使用太阳能电池板，你需要额外的电池系统来储存能量；但使用分子太阳能热能存储技术，材料本身就能储存太阳光能。”论文合著者博士生本杰明·贝克说。

图说：设想中的供热系统构造

来源：DOI：10.1126/science.aec6413

当然，这项技术距离真正的家用产品还有一段路要走。目前该分子的光吸收主要集中在紫外波段，而太阳光中紫外光只占大约百分之五，这意味着充电效率还需要提升。

研究团队已经在计算模拟中证明，通过给分子装上给电子或吸电子的基团，可以将吸收波长红移到可见光区，从而更高效地利用太阳光谱。

另外，目前实验中使用的是均相酸催化剂，这会导致盐的积累，未来需要开发出可重复使用的固体催化剂。这些都是研究团队正在积极推进的方向。

美国基金会Moore Inventor Fellowship在2025年将这项成果列为重点支持项目，正是看中了它背后那个简单而有力的愿景：把阳光装进瓶子里，想用的时候再倒出来即可。

这就像用魔法将阳光变成了液体一样。人类在科研道路上取得的一个个令人惊喜的发现与突破，何尝不是一种科技“炼金术”呢？

Reference：

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260513221821.htm

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6413

[3]https://news.ucsb.edu/2026/022384/ucsb-scientists-bottle-sun-liquid-battery

[4]https://news.ucsb.edu/2025/022052/chemist-grace-han-named-moore-inventor-fellow

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