Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met collega's van de Universiteit van Cambridge, hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de levensduur van organische waterige stroombatterijen drastisch te verlengen, waardoor de commerciële levensvatbaarheid van een technologie die het potentieel heeft om energie uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zon veilig en goedkoop op te slaan.

"Organische waterige redoxflow-batterijen beloven de kosten van elektriciteitsopslag van intermitterende energiebronnen aanzienlijk te verlagen, maar de instabiliteit van de organische moleculen heeft hun commercialisering belemmerd", zegt Michael Aziz, de Gene en Tracy Sykes-hoogleraar Materials and Energy Technologies bij SEAS . "Nu hebben we een echt praktische oplossing om de levensduur van deze moleculen te verlengen, wat een enorme stap is om deze batterijen concurrerend te maken."

Het onderzoek is gepubliceerd inNature Chemistry .

In het afgelopen decennium hebben Aziz en Roy Gordon, de Thomas Dudley Cabot Professor of Chemistry en Professor of Materials Science, samengewerkt om organische waterige stroombatterijen te ontwikkelen met behulp van moleculen die bekend staan ​​als antrachinonen, die zijn samengesteld uit natuurlijk overvloedige elementen zoals koolstof, waterstof, en zuurstof, om energie op te slaan en af ​​te geven.

In de loop van hun onderzoek ontdekte het team dat deze antrachinonen in de loop van de tijd langzaam ontleden, ongeacht hoe vaak de batterij is gebruikt.

In eerder werk ontdekten de onderzoekers dat ze de levensduur van een van deze moleculen, DHAQ genaamd, in het laboratorium de "zombie-chinon" konden noemen, door het molecuul aan lucht bloot te stellen. Het team ontdekte dat als het molecuul precies op het juiste deel van zijn laad-ontlaadcyclus aan lucht wordt blootgesteld, het zuurstof uit de lucht grijpt en weer verandert in het oorspronkelijke antrachinonmolecuul - alsof het terugkeert uit de dood, vandaar de bijnaam.

Maar het regelmatig blootstellen van het elektrolyt van een batterij aan lucht is niet echt praktisch, omdat het de twee kanten van de batterij uit balans brengt - beide kanten van de batterij kunnen niet langer tegelijkertijd volledig worden opgeladen.

Om een ​​meer praktische benadering te vinden, werkten de onderzoekers samen met chemici van de Universiteit van Cambridge in het VK om beter te begrijpen hoe de moleculen ontleden en bedachten ze een elektrische methode om het proces om te keren.

Het team ontdekte dat als ze een zogenaamde diepe ontlading uitvoerden, waarbij de positieve en negatieve polen van de batterij leeg raken, zodat het spanningsverschil tussen de twee nul wordt, en vervolgens de polariteit van de batterij omdraait, waardoor de positieve kant wordt geforceerd negatief en de negatieve kant positief, creëerde het een spanningspuls die de ontbindende moleculen terug kon zetten naar hun oorspronkelijke vorm.

"Meestal wil je bij het gebruik van andere soorten batterijen voorkomen dat de batterij volledig leeg raakt, omdat deze de neiging heeft om de componenten te degraderen", zegt Yan Jing, een postdoctoraal onderzoeker aan Harvard en mede-eerste auteur van het artikel. "Maar we hebben ontdekt dat deze extreme ontlading, tot het daadwerkelijk omkeren van de polariteit, deze moleculen opnieuw kan samenstellen - wat een verrassing was."

Het proces werkt een beetje als een pacemaker en geeft periodiek een schok aan het systeem dat afgebroken moleculen doet herleven.

In dit artikel toonden de onderzoekers een netto levensduur aan die 17 keer langer was dan eerder onderzoek. In daaropvolgend onderzoek, dat het proces verfijnde, toonden de onderzoekers een nog grotere toename van de levensduur aan, tot wel 260 keer langer, wat leidde tot een verliespercentage van minder dan 10% per jaar. Dat onderzoek moet nog worden gepubliceerd.

"Het bereiken van een verliespercentage van één cijfer per jaar maakt een wijdverbreide commercialisering mogelijk, omdat het geen grote financiële last is om uw tanks elk jaar met een paar procent aan te vullen", zegt Aziz.

Harvard's Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom van dit project beschermd en heeft de technologie en andere gerelateerde patenten op chinonstroombatterijen in licentie gegeven aan Quino Energy, een startup die zijn commerciële ontwikkeling nastreeft.

Het onderzoeksteam toonde ook aan dat deze aanpak werkt voor een reeks organische moleculen en voor een reeks diepe ontladingsprocessen, zowel met als zonder polariteitsomkering. Vervolgens wil het team onderzoeken in hoeverre ze de levensduur van DHAQ en andere goedkope antrachinonen die in deze systemen zijn gebruikt, kunnen verlengen.

"Flow-batterijen zullen naar verwachting de volgende golf in opslagtechnologie zijn naast lithium, met name batterijen met organische elektrolyten", zegt Imre Gyuk, directeur van het Office of Electricity Storage-programma van het Department of Energy. "Dit werk maakt controle over het ontbindingsproces mogelijk, waardoor de levensduur aanzienlijk wordt verlengd en toepassingen voor middellange en langdurige energieopslag mogelijk worden."

Het onderzoek was co-auteur van Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray en Roy G. Gordon. + Verder verkennen

Nieuwe organische stroombatterij brengt ontbindende moleculen weer tot leven