Nye værktøjer viser en vej frem for storskala lagring af vedvarende energi

En teknik baseret på principperne for MRI har gjort det muligt for forskere at observere ikke kun, hvordan næste generations batterier til storskala energilagring fungerer, men også hvordan de fejler, som vil hjælpe med udviklingen af ​​strategier til at forlænge batterilevetiden til støtte for overgangen til en kulstoffri fremtid.

De nye værktøjer, udviklet af forskere ved University of Cambridge, vil hjælpe forskere med at designe mere effektive og sikrere batterisystemer til energilagring i netskala. Ud over, teknikken kan anvendes på andre typer batterier og elektrokemiske celler for at løse de komplekse reaktionsmekanismer, der opstår i disse systemer, og til at opdage og diagnosticere fejl.

Forskerne testede deres teknikker på organiske redoxflow-batterier, lovende kandidater til at opbevare nok vedvarende energi til at drive byer, men som nedbrydes for hurtigt til kommercielle applikationer. Forskerne fandt ud af, at ved at oplade batterierne ved en lavere spænding, de var i stand til betydeligt at bremse nedbrydningshastigheden, forlænger batteriernes levetid. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur .

Batterier er en vigtig del af overgangen væk fra fossile brændstoffer-baserede energikilder. Uden batterier, der er i stand til lagring i netskala, det vil være umuligt at drive økonomien udelukkende med vedvarende energi. Og lithium-ion batterier, mens egnet til forbrugerelektronik, skaler ikke let op til en tilstrækkelig størrelse til at lagre nok energi til at drive en hel by, for eksempel. Brændbare materialer i lithium-ion-batterier udgør også potentielle sikkerhedsrisici. Jo større batteri, jo mere potentiel skade kan det forårsage, hvis det går i brand.

Redox flow-batterier er en mulig løsning på dette teknologiske puslespil. De består af to tanke med elektrolytvæske, en positiv og en negativ, og kan skaleres op blot ved at øge størrelsen af ​​tanke, hvilket gør dem særdeles velegnede til lagring af vedvarende energi. Disse rumstørrelser, eller endda bygningsstørrelse, ikke-brændbare batterier kan spille en nøglerolle i fremtidens grønne energinet.

Adskillige virksomheder udvikler i øjeblikket redoxflow-batterier til kommercielle applikationer, hvoraf de fleste bruger vanadium som elektrolyt. Imidlertid, vanadium er dyrt og giftigt, så batteriforskere arbejder på at udvikle et redoxflow-batteri baseret på organiske materialer, som er billigere og mere bæredygtige. Imidlertid, disse molekyler har en tendens til at nedbrydes hurtigt.

"Da de organiske molekyler har tendens til at nedbrydes hurtigt, det betyder, at de fleste batterier, der bruger dem som elektrolytter, ikke holder særlig længe, gør dem uegnede til kommercielle anvendelser, " sagde Dr. Evan Wenbo Zhao fra Cambridge's Department of Chemistry, og avisens første forfatter. "Selvom vi har vidst det i et stykke tid, hvad vi ikke altid har forstået er, hvorfor det sker."

Nu, Zhao og hans kolleger i professor Clare Greys forskningsgruppe i Cambridge, sammen med samarbejdspartnere fra Storbritannien, Sverige og Spanien, har udviklet to nye teknikker til at kigge ind i organiske redoxflow-batterier for at forstå, hvorfor elektrolytten nedbrydes og forbedre deres ydeevne.

Ved at bruge 'realtids' kernemagnetisk resonans (NMR) undersøgelser, en slags funktionel 'MRI for batterier', og metoder udviklet af professor Greys gruppe, forskerne var i stand til at læse resonanssignaler fra de organiske molekyler, både i deres oprindelige tilstand og da de nedbrydes til andre molekyler. Disse 'operando' NMR-undersøgelser af nedbrydning og selvafladning i redoxflow-batterier giver indsigt i de indre underliggende mekanismer for reaktionerne, såsom radikaldannelse og elektronoverførsel mellem de forskellige redoxaktive arter i opløsningerne.

"Der er få in situ mekanistiske undersøgelser af organiske redoxflow-batterier, systemer, der i øjeblikket er begrænset af nedbrydningsproblemer, " sagde Grey. "Vi er nødt til at forstå både, hvordan disse systemer fungerer, og også hvordan de fejler, hvis vi skal gøre fremskridt på dette område."

Forskerne fandt ud af, at under visse betingelser, de organiske molekyler havde en tendens til at nedbrydes hurtigere. "Hvis vi ændrer ladeforholdene ved at oplade ved en lavere spænding, elektrolytten holder længere, " sagde Zhao. "Vi kan også ændre strukturen af ​​de organiske molekyler, så de nedbrydes langsommere. Vi forstår nu bedre, hvorfor ladningsforholdene og molekylære strukturer betyder noget."

Forskerne ønsker nu at anvende deres NMR-opsætning på andre typer organiske redoxflow-batterier, såvel som på andre typer af næste generations batterier, såsom lithium-luft-batterier.

"Vi er begejstrede for den brede vifte af potentielle anvendelser af denne metode til at overvåge en række elektrokemiske systemer, mens de er i drift, " sagde Grey.

For eksempel, NMR-teknikken vil blive brugt til at udvikle en bærbar batteri-'sundhedstjek'-enhed til at diagnosticere dens tilstand.

"Ved at bruge sådan en enhed, det kunne være muligt at kontrollere elektrolyttens tilstand i et fungerende organisk redoxflow-batteri og udskifte det om nødvendigt, " sagde Zhao. "Da elektrolytten til disse batterier er billig og ikke-giftig, dette ville være en forholdsvis ligetil proces, forlænger disse batteriers levetid."