Onderzoekers van Skoltech en hun medewerkers hebben ontworpen, nieuwe verbindingen gesynthetiseerd en geëvalueerd die kunnen dienen als katholieten en anolieten voor organische redoxflow-batterijen, deze veelbelovende technologie dichter bij grootschalige implementatie te brengen. De twee papers werden gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A en Chemische communicatie .

Energieopslag is een cruciaal onderdeel van een groener energiesysteem van de toekomst op basis van hernieuwbare bronnen; batterijen moeten worden aangevuld met wind- en zonneparken en moeten schaalbaar zijn, veilig, en flexibel in ontwerp en levensduur. Redox flow-batterijen (RFB's) zijn al die dingen, toch was een belangrijke belemmering voor commercialisering hun lage specifieke capaciteit. Dus, veel onderzoeksinspanningen zijn gericht op het ontwikkelen van betere batterijcomponenten om deze hindernis te overwinnen.

"Het belangrijkste voordeel van redox-flow-batterijen is schaalbaarheid - de capaciteit van de batterij wordt alleen beperkt door het volume van de elektrolyt, het is dus de ideale constructie voor grootschalige energieopslag. Tegenwoordig werken we met organische redox-actieve materialen opgelost in organische oplosmiddelen (niet-waterige organische RFB's). De belangrijkste voordelen van niet-waterige organische RFB zijn de hoge celspanning (tot 5V, versus ongeveer 1,6 V voor systemen op waterbasis), een grote verscheidenheid aan organische redox-actieve moleculen die koud worden aangebracht, en potentiële bruikbaarheid bij lage temperaturen, zonder enige zorg voor bevriezing onder 0 graden C. Als zodanig biedt dit werk aanzienlijke vooruitgang voor de ontwikkeling van RFB's van dit type, " Skoltech promovendus Elena Romadina, de eerste auteur van beide artikelen, verklaart.

In de twee kranten Elena Romadina en haar collega's beschrijven veelbelovende katholyt- en anolytmaterialen voor RFB's - op triarylamine gebaseerde materialen en een fenazinederivaat, respectievelijk. De zeven zeer oplosbare redox-actieve op triarylamine gebaseerde verbindingen werden ontworpen, gesynthetiseerd en getest op oplosbaarheid en elektrochemische eigenschappen, met een van hen, uitgekozen als de meest veelbelovende kandidaat voor verdere studies. De auteurs benadrukken dat de ontwikkelde verbindingen een bijna onbeperkte oplosbaarheid vertoonden in polaire organische oplosmiddelen zoals acetonitril, wat ze veelbelovend maakt voor RFB's met hoge capaciteit. In de andere studie een fenazinederivaat met oligomere ethyleenglycolethersubstituenten werd gesynthetiseerd in een tweestapsproces en vertoonde solide prestaties als een RFB-anolyt.

"Een niet-waterige organische redoxstroombatterij, aangeduid als op fenazine gebaseerde anolyt en de meest veelbelovende op triarylamine gebaseerde katholiet, vertoonde een hoge celspanning van 2,3 V, hoge capaciteit,> 95% coulombefficiëntie en goede laad-ontlaadcyclusstabiliteit gedurende de 50 cycli, " schrijven de auteurs in de ChemComm papier.

“Als resultaat van ons werk, we hebben een nieuwe klasse van verbindingen gepresenteerd die in RFB's kunnen worden gebruikt. Eerder, poly-triarylaminen werden onderzocht als kathodemateriaal voor metaalioncellen, maar deze klasse van verbindingen is niet onderzocht in redox-flow-batterijen. Dus, een nieuwe en veelbelovende kernstructuur werd geopend voor ons en andere wetenschappers. Triarylaminen hebben een stabiel en volledig omkeerbaar redoxpotentiaal, en kan gemakkelijk worden gewijzigd, die verschillende redoxpotentialen en fysische eigenschappen verschaffen. Bovendien, we ontdekten dat op triarylaminen gebaseerde verbindingen hun elektrochemische eigenschappen konden behouden, zelfs in de aanwezigheid van water in een organisch oplosmiddel, waardoor de vereisten voor de bereiding van oplosmiddelen en de kosten werden verlaagd, ' voegt Romadina toe.

"We kijken in feite naar beide uiteinden van de batterij in een poging om de operationele celspanning te verhogen en om andere degradatie van katholieten en anolieten te voorkomen. Om organische RFB's commercieel levensvatbaar te maken, we hebben ook onderzoek nodig op gebieden zoals goedkope schaalbare synthese van zeer oplosbare redox-actieve moleculen; de ontwikkeling van hoogwaardige membranen die goede ionengeleiders zijn, maar remt de cross-over van anolieten en katholieten bij laden en ontladen; en het schalen van grotere apparaatconfiguraties op cel- en stapelniveau om energieopslag op rasterschaal mogelijk te maken, "Professor Keith Stevenson, Skoltech provoost en co-auteur van de papers, zegt.