Om de menselijke beschaving in de toekomst in stand te houden, schone energiebronnen moeten worden aangewend om de fossiele brandstoffen te vervangen die nu onze atmosfeer vervuilen. Zonne- en windenergie kunnen alle benodigde energie leveren. Echter, opslag zal nodig zijn als de zon niet schijnt en de wind niet waait.

Organic Flow-batterijen zijn een potentieel veiliger, goedkoper alternatief voor lithium-ionbatterijen en vanadiumstroombatterijen voor grootschalige opslag van hernieuwbare energie.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van Harvard hebben een nieuw organisch molecuul aangetoond dat zijn voorgangers overleeft en overtreft. biedt tot nu toe de meest duurzame, hoogwaardige organische stroombatterij. Bijgenaamd het Methuselah-chinon - naar de langstlevende bijbelse figuur - zou dit molecuul op nuttige wijze energie vele tienduizenden keren kunnen opslaan en vrijgeven over perioden van meerdere jaren.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Joule .

Het onderzoek werd mede geleid door Roy Gordon, de Thomas Dudley Cabot hoogleraar scheikunde en hoogleraar materiaalkunde, en Michael Aziz, de Gene en Tracy Sykes hoogleraar materialen en energietechnologieën aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"We hebben een nieuwe organische verbinding ontworpen en gebouwd die elektrische energie kan opslaan en ook een zeer lange levensduur heeft voordat deze uiteenvalt, " zei Gordon. "We ontdekten afbraakprocessen van de moleculen die we eerder in flowbatterijen gebruikten. Daarna hebben we nieuwe, stabielere moleculen die deze problemen vermijden."

"In het vorige werk we hadden een chemie gedemonstreerd met een lange levensduur maar met een laag voltage, wat leidt tot een lage energieopslag per molecuul, wat leidt tot hoge kosten voor een bepaalde hoeveelheid opgeslagen energie, "zei Aziz. "Nu, we hebben de eerste chemie die zowel op lange termijn stabiel is als op meer dan één volt, die algemeen wordt beschouwd als de drempel voor commerciële inzet. Ik geloof dat het de eerste op organische stof gebaseerde flow-batterij is die voldoet aan alle technische criteria voor praktische implementatie."

De nieuwe chemie bouwt voort op eerder onderzoek onder leiding van Aziz en Gordon. Het Methusalem-molecuul is een gemodificeerd chinon, een overvloedige, natuurlijk voorkomend molecuul dat integraal deel uitmaakt van biologische processen zoals fotosynthese en cellulaire ademhaling. In samenwerking met theoretische scheikunde Professor Alan Aspuru-Guzik, hun onderzoeksteam karakteriseerde het afbraakproces van eerdere chinonmoleculen in stroombatterijen en bracht wijzigingen aan om de levensduur van de kalender te verlengen.

Bij experimenten in hun laboratoria, het Methusalem-molecuul had een vervagingssnelheid van minder dan 0,01 procent per dag en minder dan 0,001 procent per laad-/ontlaadcyclus - wat extrapoleert naar minder dan 3 procent degradatie in de loop van een jaar - en een bruikbare werking voor tienduizenden cycli.

Methusalem bleek ook zeer oplosbaar, wat betekent dat het meer energie kan opslaan in een kleinere ruimte. Het werkt in een zwak alkalisch elektrolyt, het verminderen van de kosten van de batterij door het gebruik van goedkope insluitingsmaterialen en een goedkoop polymeermembraan om de positieve en negatieve terminals te scheiden.

Al deze ontwikkelingen verlagen de opslagkosten en kunnen organische opslagchemicaliën kosteneffectief maken voor langdurige ontlading.

"Dit onderzoek toont het potentieel van organische stoffen aan, " zei David Kwabi, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "We laten zien dat organische moleculen een levensvatbare, langdurig, kosteneffectief alternatief voor dure vanadiumbatterijen."

Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse DOE Office of Electricity energieopslagprogramma, door het Advanced Research Projects Agency-Energie, door Innovatiefonds Denemarken, door het Massachusetts Clean Energy Technology Center, en door de Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

"Dit belangrijke werk betekent een belangrijke stap vooruit naar lage kosten, stroombatterijen met lange duur, " zei Imre Gyuk, Directeur van DOE's Office of Electricity-opslagprogramma. "Dergelijke apparaten zijn nodig om het elektriciteitsnet in staat te stellen steeds grotere hoeveelheden groene maar variabele hernieuwbare opwekking op te nemen."

Met hulp van het Office of Technology Development (OTD) van Harvard, de onderzoekers zoeken commerciële partners om de technologie op te schalen voor industriële toepassingen. Harvard OTD heeft een portfolio van lopende patenten ingediend op innovaties in flow-batterijtechnologie.