Forskning forlænger levetiden for molekyler i organiske flow-batterier til praktiske værdier

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har i samarbejde med kolleger ved University of Cambridge udviklet en ny metode til dramatisk at forlænge levetiden af ​​organiske vandige strømningsbatterier, hvilket forbedrer den kommercielle levedygtighed af en teknologi, der har potentialet til sikkert og billigt at lagre energi fra vedvarende kilder som vind og sol.

"Organiske vandige redoxflow-batterier lover at sænke omkostningerne ved lagring af elektricitet fra intermitterende energikilder markant, men ustabiliteten af ​​de organiske molekyler har hindret deres kommercialisering," siger Michael Aziz, Gene og Tracy Sykes professor i materialer og energiteknologier ved SEAS . "Nu har vi en virkelig praktisk løsning til at forlænge levetiden af ​​disse molekyler, hvilket er et enormt skridt til at gøre disse batterier konkurrencedygtige."

Forskningen er publiceret i Nature Chemistry .

I løbet af det seneste årti har Aziz og Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot-professor i kemi og professor i materialevidenskab, samarbejdet om at udvikle organiske vandige strømningsbatterier ved hjælp af molekyler kendt som antraquinoner, som er sammensat af naturligt rigelige grundstoffer såsom kulstof, brint, og ilt, for at lagre og frigive energi.

I løbet af deres forskning opdagede holdet, at disse antraquinoner nedbrydes langsomt over tid, uanset hvor mange gange batteriet er blevet brugt.

I tidligere arbejde fandt forskerne ud af, at de kunne forlænge levetiden af ​​et af disse molekyler, kaldet DHAQ, men kaldt "zombie-quinonen" i laboratoriet, ved at udsætte molekylet for luft. Holdet fandt ud af, at hvis molekylet udsættes for luft i den helt rigtige del af dets ladnings-udladningscyklus, fanger det ilt fra luften og bliver tilbage til det oprindelige anthraquinon-molekyle - som om det vender tilbage fra de døde, deraf kaldenavnet.

Men regelmæssigt at udsætte et batteris elektrolyt for luft er ikke ligefrem praktisk, da det driver de to sider af batteriet ud af balance – begge sider af batteriet kan ikke længere være fuldt opladet på samme tid.

For at finde en mere praktisk tilgang, samarbejdede forskerne med kemikere ved University of Cambridge i Storbritannien for bedre at forstå, hvordan molekylerne nedbrydes og opfandt en elektrisk metode til at vende processen.

Holdet fandt ud af, at hvis de udførte en såkaldt dyb afladning, hvor de positive og negative poler på batteriet bliver drænet, så spændingsforskellen mellem de to bliver nul, og derefter vendte batteriets polaritet, hvilket tvinger den positive side negativ og den negative side positiv, skabte den en spændingsimpuls, der kunne nulstille de nedbrydende molekyler tilbage til deres oprindelige form.

"Normalt, når du kører andre slags batterier, vil du undgå at dræne batteriet fuldstændigt, fordi det har en tendens til at nedbryde dets komponenter," sagde Yan Jing, en postdoktor ved Harvard og medførsteforfatter af papiret. "Men vi har fundet ud af, at denne ekstreme udledning, op til faktisk at vende polariteten, kan genkomponere disse molekyler - hvilket var en overraskelse."

Processen fungerer lidt som en pacemaker, der periodisk giver et chok til systemet, der genopliver nedbrudte molekyler.

I dette papir påviste forskerne en nettolevetid 17 gange længere end tidligere forskning. I efterfølgende forskning, som forfinede processen, påviste forskerne en endnu større stigning i levetiden, op til 260 gange længere, hvilket førte til en tabsrate på under 10 % om året. Den forskning er endnu ikke offentliggjort.

"At nå en enkeltcifret procentdel af tab om året giver virkelig mulighed for udbredt kommercialisering, fordi det ikke er en stor økonomisk byrde at fylde dine tanke med et par procent hvert år," sagde Aziz.

Harvard's Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendom, der er forbundet med dette projekt, og har givet licens på teknologien og andre relaterede patenter på quinonflow-batterier til Quino Energy, en startup, der forfølger sin kommercielle udvikling.

Forskerholdet viste også, at denne tilgang virker for en række organiske molekyler og for en række dybe udladningsprocesser, både med og uden polaritetsvending. Dernæst sigter holdet på at undersøge, hvor meget længere de kan forlænge levetiden for DHAQ og andre billige anthraquinoner, der er blevet brugt i disse systemer.

"Flow-batterier kan forventes at blive den næste bølge inden for lagringsteknologi ud over Lithium - især batterier med organiske elektrolytter," sagde Imre Gyuk, direktør for Department of Energy's Office of Electricity Storage-program. "Dette arbejde giver mulighed for kontrol af nedbrydningsprocessen og forlænger dermed levetiden betydeligt og muliggør applikationer til mellem- og langvarig energilagring."

Forskningen var medforfatter af Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray og Roy G. Gordon. + Udforsk yderligere

Nyt organisk flow-batteri bringer nedbrydende molekyler til live igen