Na jaren vooruitgang te hebben geboekt op een organische waterige stroombatterij, Onderzoekers van de Universiteit van Harvard liepen tegen een probleem aan:de organische antrachinonmoleculen die hun baanbrekende batterij van energie voorzien, gingen in de loop van de tijd langzaam uiteen, het gebruik van de batterij op lange termijn verminderen.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers - onder leiding van Michael Aziz, de Gene en Tracy Sykes hoogleraar materialen en energietechnologieën aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en Roy Gordon, de Thomas Dudley Cabot Professor of Chemistry en Professor of Materials Science - hebben niet alleen ontdekt hoe de moleculen uiteenvallen, maar ook hoe de ontbinding kan worden beperkt en zelfs ongedaan gemaakt.

De dood tartende molecuul, in hun paper DHAQ genoemd, maar in het lab de "zombie-chinon" genoemd, behoort tot de goedkoopste om op grote schaal te produceren. De verjongingsmethode van het team verlaagt de capaciteitsvervagingssnelheid van de batterij met minstens een factor 40, terwijl de batterij volledig kan worden samengesteld uit goedkope chemicaliën.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Lage massaproductiekosten zijn erg belangrijk als organische stroombatterijen een brede marktpenetratie gaan krijgen, "zei Aziz. "Dus, als we deze technieken kunnen gebruiken om de levensduur van de DHAQ tot tientallen jaren te verlengen, dan hebben we een winnende chemie."

"Dit is een grote stap voorwaarts om ons in staat te stellen fossiele brandstoffen te vervangen door intermitterende hernieuwbare elektriciteit. " zei Gordon.

Sinds 2014, Aziz, Gordon en hun team hebben pionierswerk verricht bij de ontwikkeling van veilige en kosteneffectieve organische waterige stroombatterijen voor het opslaan van elektriciteit uit intermitterende hernieuwbare bronnen zoals wind en zon en deze te leveren wanneer de wind niet waait en de zon niet schijnt. Hun batterijen gebruiken moleculen die bekend staan ​​als antrachinonen, die zijn samengesteld uit natuurlijk overvloedige elementen zoals koolstof, waterstof, en zuurstof, energie op te slaan en vrij te geven.

Aanvankelijk, de onderzoekers dachten dat de levensduur van de moleculen afhing van hoe vaak de batterij werd opgeladen en ontladen, zoals in batterijen met vaste elektrode, zoals lithium-ion. Echter, in het verzoenen van inconsistente resultaten, ontdekten de onderzoekers dat deze antrachinonen in de loop van de tijd langzaam afbreken, ongeacht hoe vaak de batterij is gebruikt. Ze ontdekten dat de mate van ontbinding gebaseerd was op de kalenderleeftijd van de moleculen, niet hoe vaak ze zijn opgeladen en ontladen.

Die ontdekking bracht de onderzoekers ertoe de mechanismen te bestuderen waarmee de moleculen aan het ontbinden waren.

"We ontdekten dat deze antrachinonmoleculen, die twee zuurstofatomen hebben ingebouwd in een koolstofring, een lichte neiging hebben om een ​​van hun zuurstofatomen te verliezen wanneer ze worden opgeladen, een ander molecuul worden, "zei Gordon. "Als dat eenmaal gebeurt, het begint een kettingreactie van gebeurtenissen die leidt tot onomkeerbaar verlies van energieopslagmateriaal."

De onderzoekers vonden twee technieken om die kettingreactie te vermijden. De eerste:stel het molecuul bloot aan zuurstof. Het team ontdekte dat als het molecuul precies op het juiste deel van zijn laad-ontlaadcyclus aan lucht wordt blootgesteld, het grijpt de zuurstof uit de lucht en verandert terug in het oorspronkelijke antrachinonmolecuul - alsof het terugkeert uit de dood. Een enkel experiment herstelde op deze manier 70 procent van de verloren capaciteit.

Tweede, het team ontdekte dat overladen van de batterij omstandigheden creëert die de ontbinding versnellen. Het vermijden van overladen verlengt de levensduur met een factor 40.

"Bij toekomstige werkzaamheden we moeten bepalen in hoeverre de combinatie van deze benaderingen de levensduur van de batterij kan verlengen als we ze goed ontwikkelen, ' zei Aziz.

"De ontledings- en wedergeboortemechanismen zijn waarschijnlijk relevant voor alle antrachinonen, en antrachinonen zijn de best erkende en meest veelbelovende organische moleculen voor stroombatterijen, " zei Gordon.

"Dit belangrijke werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de richting van goedkope, stroombatterijen met lange levensuur, " zei Imre Gyuk, Directeur van het Office of Electricity Storage-programma van het Department of Energy. "Dergelijke apparaten zijn nodig om het elektriciteitsnet in staat te stellen steeds grotere hoeveelheden groene maar variabele hernieuwbare opwekking op te nemen."