Organisk Mega Flow-batteri overskrider levetiden, spændingstærskler

For at opretholde den menneskelige civilisation i fremtiden, rene energikilder skal udnyttes til at erstatte de fossile brændstoffer, der nu forurener vores atmosfære. Sol- og vindenergi kan levere al den nødvendige energi. Imidlertid, opbevaring vil være nødvendig, når solen ikke skinner, og vinden ikke blæser.

Organiske flow-batterier er en potentielt sikrere, billigere alternativ til lithium-ion-batterier og vanadium-flow-batterier til storskala lagring af vedvarende energi.

Nu, Harvard-forskere har demonstreret et nyt organisk molekyle, der overlever og overgår sine forgængere, tilbyder det længst holdbare højtydende organiske flow-batteri til dato. Med tilnavnet Methuselah-quinonen - efter den længstlevende bibelske figur - kunne dette molekyle med fordel lagre og frigive energi mange titusindvis af gange over flerårige perioder.

Forskningen er offentliggjort i tidsskriftet Joule .

Forskningen blev ledet af Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi og professor i materialevidenskab, og Michael Aziz, Gene og Tracy Sykes professor i materialer og energiteknologier ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Vi designede og byggede en ny organisk forbindelse, der kan lagre elektrisk energi og også har en meget lang levetid, før den nedbrydes, " sagde Gordon. "Vi opdagede nedbrydningsprocesser af de molekyler, som vi tidligere brugte i flow-batterier. Så skabte vi nye, mere stabile molekyler, der undgår disse problemer."

"I tidligere arbejde, vi havde demonstreret en kemi med lang levetid, men lav spænding, hvilket fører til lav energilagring pr. molekyle, hvilket medfører høje omkostninger for en given mængde lagret energi, " sagde Aziz. "Nu, vi har den første kemi, der både har langtidsstabilitet og kommer ind på mere end én volt, som almindeligvis betragtes som tærsklen for kommerciel implementering. Jeg tror, ​​det er det første organisk baserede flowbatteri, der opfylder alle de tekniske kriterier for praktisk implementering."

Den nye kemi bygger på tidligere forskning ledet af Aziz og Gordon. Methusalem-molekylet er en modificeret quinon, en rigelig, naturligt forekommende molekyle integreret i biologiske processer som fotosyntese og cellulær respiration. Samarbejde med professor i teoretisk kemi Alán Aspuru-Guzik, deres forskerhold karakteriserede nedbrydningsprocessen af ​​tidligere quinonmolekyler i flowbatterier og lavede ændringer for at øge kalenderens levetid.

I eksperimenter i deres laboratorier, Methuselah-molekylet havde en falmningshastighed på mindre end 0,01 procent om dagen og mindre end 0,001 procent per opladning/afladningscyklus – hvilket ekstrapoleres til mindre end 3 procent nedbrydning i løbet af et år – og nyttig drift i titusindvis af cyklusser.

Methusalem viste sig også meget opløselig, hvilket betyder, at den kan lagre mere energi på et mindre rum. Det fungerer i en svag alkalisk elektrolyt, at reducere omkostningerne til batteriet ved at tillade brugen af ​​billige indeslutningsmaterialer og en billig polymermembran til at adskille de positive og negative poler.

Alle disse fremskridt sænker omkostningerne ved opbevaring og kan gøre organisk opbevaringskemi omkostningseffektiv til langvarig udledning.

"Denne forskning demonstrerer potentialet af økologiske, " sagde David Kwabi, en postdoc ved SEAS og medførsteforfatter af papiret. "Vi viser, at organiske molekyler er levedygtige, langvarig, omkostningseffektivt alternativ til dyre vanadiumbatterier."

Forskningen blev støttet af det amerikanske DOE Office of Electricity energilagringsprogram, af Advanced Research Projects Agency—Energy, af Danmarks Innovationsfond, af Massachusetts Clean Energy Technology Center, og af Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

"Dette vigtige arbejde repræsenterer et betydeligt fremskridt i retning af lave omkostninger, langvarige flow-batterier, " sagde Imre Gyuk, Direktør for DOE's Office of Electricity storage program. "Sådanne enheder er nødvendige for at lade elnettet absorbere stigende mængder af grøn, men variabel vedvarende produktion."

Med bistand fra Harvard's Office of Technology Development (OTD), forskerne søger kommercielle partnere til at opskalere teknologien til industrielle applikationer. Harvard OTD har indgivet en portefølje af afventende patenter på innovationer inden for flowbatteriteknologi.