Een techniek gebaseerd op de principes van MRI heeft onderzoekers in staat gesteld om niet alleen te observeren hoe batterijen van de volgende generatie voor grootschalige energieopslag werken, maar ook hoe ze falen, die zullen helpen bij de ontwikkeling van strategieën om de levensduur van batterijen te verlengen ter ondersteuning van de overgang naar een koolstofvrije toekomst.

De nieuwe gereedschappen, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, zal wetenschappers helpen bij het ontwerpen van efficiëntere en veiligere batterijsystemen voor energieopslag op netschaal. In aanvulling, de techniek kan worden toegepast op andere soorten batterijen en elektrochemische cellen om de complexe reactiemechanismen die in deze systemen voorkomen, te ontwarren, en om storingen op te sporen en te diagnosticeren.

De onderzoekers testten hun technieken op organische redoxflow-batterijen, veelbelovende kandidaten om voldoende hernieuwbare energie op te slaan om dorpen en steden van stroom te voorzien, maar die te snel degraderen voor commerciële toepassingen. De onderzoekers ontdekten dat door de batterijen op een lagere spanning op te laden, ze waren in staat om de afbraaksnelheid aanzienlijk te vertragen, levensduur van de batterijen verlengen. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

Batterijen zijn een essentieel onderdeel van de overgang van op fossiele brandstoffen gebaseerde energiebronnen. Zonder batterijen die op rasterschaal kunnen worden opgeslagen, het zal onmogelijk zijn om de economie aan te drijven met uitsluitend hernieuwbare energie. En lithium-ionbatterijen, hoewel geschikt voor consumentenelektronica, niet gemakkelijk opschalen tot een grootte die voldoende is om genoeg energie op te slaan om een ​​hele stad van stroom te voorzien, bijvoorbeeld. Ontvlambare materialen in lithium-ionbatterijen vormen ook potentiële veiligheidsrisico's. Hoe groter de batterij, hoe meer potentiële schade het kan veroorzaken als het in brand vliegt.

Redox flow-batterijen zijn een mogelijke oplossing voor deze technologische puzzel. Ze bestaan ​​uit twee tanks met elektrolytvloeistof, een positieve en een negatieve, en kan worden opgeschaald door alleen de tanks te vergroten, waardoor ze zeer geschikt zijn voor opslag van duurzame energie. Deze kamergrote, of zelfs gebouwformaat, niet-brandbare batterijen kunnen een sleutelrol spelen in toekomstige groene energienetwerken.

Verschillende bedrijven ontwikkelen momenteel redoxflow-batterijen voor commerciële toepassingen, waarvan de meeste vanadium als elektrolyt gebruiken. Echter, vanadium is duur en giftig, daarom werken batterijonderzoekers aan de ontwikkeling van een redoxflow-batterij op basis van organische materialen die goedkoper en duurzamer zijn. Echter, deze moleculen hebben de neiging snel af te breken.

"Omdat de organische moleculen de neiging hebben om snel af te breken, het betekent dat de meeste batterijen die ze als elektrolyten gebruiken niet lang meegaan, waardoor ze ongeschikt zijn voor commerciële toepassingen, " zei Dr. Evan Wenbo Zhao van Cambridge's Department of Chemistry, en de eerste auteur van het papier. "Hoewel we dit al een tijdje weten, wat we niet altijd hebben begrepen, is waarom dit gebeurt."

Nutsvoorzieningen, Zhao en zijn collega's in de onderzoeksgroep van professor Clare Grey in Cambridge, samen met medewerkers uit het VK, Zweden en Spanje, hebben twee nieuwe technieken ontwikkeld om in organische redoxflow-batterijen te kijken om te begrijpen waarom de elektrolyt kapot gaat en hun prestaties te verbeteren.

Met behulp van 'realtime' nucleaire magnetische resonantie (NMR) studies, een soort functionele 'MRI voor batterijen', en methoden ontwikkeld door de groep van Professor Grey, konden de onderzoekers resonantiesignalen van de organische moleculen aflezen, zowel in hun oorspronkelijke staat als wanneer ze zijn afgebroken tot andere moleculen. Deze 'operando' NMR-studies van de degradatie en zelfontlading in redoxflow-batterijen geven inzicht in de interne onderliggende mechanismen van de reacties, zoals radicaalvorming en elektronenoverdrachten tussen de verschillende redox-actieve soorten in de oplossingen.

"Er zijn weinig in situ mechanistische studies van organische redoxflow-batterijen, systemen die momenteel worden beperkt door degradatieproblemen, "zei Gray. "We moeten zowel begrijpen hoe deze systemen werken als hoe ze falen als we vooruitgang willen boeken op dit gebied."

De onderzoekers ontdekten dat onder bepaalde omstandigheden, de organische moleculen neigden sneller af te breken. "Als we de laadcondities veranderen door op een lagere spanning te laden, de elektrolyt gaat langer mee, " zei Zhao. "We kunnen ook de structuur van de organische moleculen veranderen, zodat ze langzamer afbreken. We begrijpen nu beter waarom de ladingsomstandigheden en moleculaire structuren ertoe doen."

De onderzoekers willen hun NMR-opstelling nu toepassen op andere soorten organische redoxflow-batterijen, evenals op andere typen batterijen van de volgende generatie, zoals lithium-luchtbatterijen.

"We zijn enthousiast over het brede scala aan potentiële toepassingen van deze methode om een ​​verscheidenheid aan elektrochemische systemen te bewaken terwijl ze worden bediend, ' zei Grijs.

Bijvoorbeeld, de NMR-techniek zal worden gebruikt om een ​​draagbaar batterij-'gezondheidscontrole'-apparaat te ontwikkelen om de toestand ervan te diagnosticeren.

"Met zo'n apparaat het zou mogelijk kunnen zijn om de toestand van de elektrolyt in een functionerende organische redoxflow-batterij te controleren en indien nodig te vervangen, "zei Zhao. "Omdat de elektrolyt voor deze batterijen goedkoop en niet-toxisch is, dit zou een relatief eenvoudig proces zijn, verlengt de levensduur van deze batterijen."