Nyt organisk flow-batteri bringer nedbrydende molekyler til live igen

Efter flere års fremskridt med et organisk vandstrømsbatteri, Forskere fra Harvard University stødte på et problem:de organiske anthraquinon-molekyler, der drev deres banebrydende batteri, blev langsomt nedbrudt over tid, reducerer batteriets langsigtede anvendelighed.

Nu, forskerne – ledet af Michael Aziz, Gene og Tracy Sykes professor i materialer og energiteknologier ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi og professor i materialevidenskab - har ikke kun fundet ud af, hvordan molekylerne nedbrydes, men også hvordan man kan afbøde og endda vende nedbrydningen.

Det dødsforagtende molekyle, navngivet DHAQ i deres papir, men døbt "zombie quinon" i laboratoriet, er blandt de billigste at producere i stor skala. Holdets foryngelsesmetode reducerer batteriets kapacitetsfadehastighed med mindst en faktor 40, samtidig med at batteriet kan være sammensat udelukkende af billige kemikalier.

Forskningen blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

"Lave masseproduktionsomkostninger er virkelig vigtige, hvis organiske flow-batterier skal vinde bred markedspenetration, " sagde Aziz. "Så, hvis vi kan bruge disse teknikker til at forlænge DHAQ's levetid til årtier, så har vi en vindende kemi."

"Dette er et stort skridt fremad i at gøre det muligt for os at erstatte fossile brændstoffer med periodisk vedvarende elektricitet, " sagde Gordon.

Siden 2014 har Aziz, Gordon og deres team har været banebrydende i udviklingen af ​​sikre og omkostningseffektive organiske vandige strømningsbatterier til at lagre elektricitet fra intermitterende vedvarende kilder som vind og sol og levere det, når vinden ikke blæser, og solen ikke skinner. Deres batterier bruger molekyler kendt som antraquinoner, som er sammensat af naturligt rigelige grundstoffer såsom kulstof, brint, og ilt, at lagre og frigive energi.

I første omgang, forskerne troede, at molekylernes levetid afhang af, hvor mange gange batteriet blev opladet og afladet, som i solide elektrode-batterier såsom lithium-ion. Imidlertid, ved at forene inkonsistente resultater, forskerne opdagede, at disse antraquinoner nedbrydes langsomt over tid, uanset hvor mange gange batteriet har været brugt. De fandt ud af, at mængden af ​​nedbrydning var baseret på molekylernes kalenderalder, ikke hvor ofte de er blevet opladet og udskrevet.

Den opdagelse fik forskerne til at studere de mekanismer, hvorved molekylerne nedbrydes.

"Vi fandt ud af, at disse anthraquinonmolekyler, som har to oxygenatomer indbygget i en kulstofring, har en lille tendens til at miste et af deres iltatomer, når de lades op, bliver et andet molekyle, " sagde Gordon. "Når det sker, det starter en kædereaktion af begivenheder, der fører til irreversibelt tab af energilagermateriale."

Forskerne fandt to teknikker til at undgå den kædereaktion. Den første:udsæt molekylet for ilt. Holdet fandt ud af, at hvis molekylet udsættes for luft i den helt rigtige del af dets ladnings-afladningscyklus, det griber ilten fra luften og bliver tilbage til det oprindelige anthraquinon-molekyle - som om det vender tilbage fra de døde. Et enkelt eksperiment genfandt 70 procent af den tabte kapacitet på denne måde.

Sekund, holdet fandt ud af, at overopladning af batteriet skaber forhold, der fremskynder nedbrydning. At undgå overopladning forlænger levetiden med en faktor på 40.

"I det fremtidige arbejde, vi er nødt til at bestemme, hvor meget kombinationen af ​​disse tilgange kan forlænge batteriets levetid, hvis vi konstruerer dem rigtigt, " sagde Aziz.

"Nedbrydnings- og genfødselsmekanismerne vil sandsynligvis være relevante for alle antraquinoner, og antraquinoner har været de bedst anerkendte og mest lovende organiske molekyler til flow-batterier, " sagde Gordon.

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