Nyt materiale til katolytter og anolytter i organiske redoxflow-batterier

Forskere fra Skoltech og deres samarbejdspartnere har designet, syntetiserede og evaluerede nye forbindelser, der kan tjene som katolytter og anolytter til organiske redoxflow-batterier, bringer denne lovende teknologi tættere på implementering i stor skala. De to artikler blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A og Kemisk kommunikation .

Energilagring er en afgørende komponent i et grønnere energisystem i fremtiden baseret på vedvarende kilder; batterier skal suppleres med vind- og solparker og skal være skalerbare, sikker, og fleksible i deres design og levetid. Redox flow-batterier (RFB'er) er alle disse ting, alligevel har en stor barriere for kommercialisering været deres lave specifikke kapacitet. Så, en stor forskningsindsats er fokuseret på at udvikle bedre batterikomponenter for at overvinde denne forhindring.

"Den største fordel ved redox-flow-batterier er skalerbarhed - batteriets kapacitet er kun begrænset af elektrolyttens volumen, så det er den ideelle konstruktion til storskala energilagring. I dag arbejder vi med organiske redoxaktive materialer opløst i organiske opløsningsmidler (ikke-vandige organiske RFB'er). De vigtigste fordele ved ikke-vandige organiske RFB er høj cellespænding (op til 5V, versus omkring 1,6 V for vandbaserede systemer), et stort udvalg af organiske redox-aktive molekyler, som koldt anvendes, og potentiel drift ved lave temperaturer, uden bekymring for frysning under 0 grader C. Som sådan tilbyder dette arbejde betydelige fremskridt for udviklingen af ​​RFB'er af denne type, "Skoltech Ph.D.-studerende Elena Romadina, den første forfatter til begge artikler, forklarer.

I de to aviser, Elena Romadina og hendes kolleger beskriver meget lovende katolyt- og anolytmaterialer til RFB'er - triarylaminbaserede materialer og et phenazinderivat, henholdsvis. De syv meget opløselige redoxaktive triarylamin-baserede forbindelser blev designet, syntetiseret og testet for opløselighed og elektrokemiske egenskaber, med en af ​​dem, udpeget som den mest lovende kandidat til videre studier. Forfatterne understreger, at de udviklede forbindelser udviste næsten ubegrænset opløselighed i polære organiske opløsningsmidler såsom acetonitril, hvilket gør dem lovende for RFB'er med høj kapacitet. I den anden undersøgelse, et phenazinderivat med oligomere ethylenglycolethersubstituenter blev syntetiseret i en to-trins proces og viste solid ydeevne som en RFB-anolyt.

"Et ikke-vandigt organisk redoxflow-batteri betegnet som phenazin-baseret anolyt og mest lovende triarylamin-baseret katolyt udviste en høj cellespænding på 2,3 V, høj kapacitet,> 95 % coulombisk effektivitet og god opladnings-afladnings-cyklusstabilitet under de 50 cyklusser, " skriver forfatterne i ChemComm papir.

"Som et resultat af vores arbejde, vi præsenterede en ny klasse af forbindelser, der kunne bruges i RFB'er. Tidligere, poly-triarylaminer blev undersøgt som katodemateriale til metalionceller, men denne klasse af forbindelser blev ikke undersøgt i redox-flow-batterier. Dermed, en ny og meget lovende kernestruktur blev åbnet for os og andre forskere. Triarylaminer har et stabilt og fuldt reversibelt redoxpotentiale, og kunne nemt ændres, giver forskellige redoxpotentialer og fysiske egenskaber. I øvrigt, vi fandt ud af, at triarylamin-baserede forbindelser kunne bevare deres elektrokemiske egenskaber selv i nærværelse af vand i organisk opløsningsmiddel, hvilket sænkede kravene til opløsningsmiddelfremstilling og omkostninger, " tilføjer Romadina.

"Vi kigger faktisk på begge ender af batteriet i et forsøg på at hæve den operationelle cellespænding og for at forhindre anden nedbrydning af katolytter og anolytter. For at gøre organiske RFB'er kommercielt levedygtige, vi har også brug for forskning inden for områder som billig skalerbar syntese af meget opløselige redoxaktive molekyler; udvikling af højtydende membraner, der er gode ioniske ledere, men hæmmer krydsning af anolytter og katolytter ved ladning og udledning; og skalering af enhedskonfigurationer på større celle- og stakniveau for at muliggøre energilagring i netskala, " Professor Keith Stevenson, Skoltech provost og medforfatter af papirerne, siger.