Forskare från Skoltech och deras medarbetare har designat, syntetiserade och utvärderade nya föreningar som kan fungera som katolyter och anolyter för organiska redoxflödesbatterier, föra denna lovande teknik närmare storskalig implementering. De två tidningarna publicerades i Journal of Materials Chemistry A och Kemisk kommunikation .

Energilagring är en avgörande komponent i ett grönare energisystem i framtiden baserat på förnybara källor; batterier måste kompletteras med vind- och solkraftsparker och måste vara skalbara, säker, och flexibla i sin design och livslängd. Redoxflödesbatterier (RFB) är alla dessa saker, ändå har ett stort hinder för kommersialisering varit deras låga specifika kapacitet. Så, mycket forskning är inriktad på att utveckla bättre batterikomponenter för att övervinna detta hinder.

"Den största fördelen med redoxflödesbatterier är skalbarhet - batteriets kapacitet begränsas endast av volymen av elektrolyten, så det är den idealiska konstruktionen för storskalig energilagring. Numera arbetar vi med organiska redoxaktiva material lösliga i organiska lösningsmedel (icke-vattenhaltiga organiska RFB). De främsta fördelarna med icke-vattenhaltig organisk RFB är hög cellspänning (upp till 5V, jämfört med cirka 1,6 V för vattenbaserade system), ett stort utbud av organiska redoxaktiva molekyler som kallt appliceras, och potentiell drift vid låga temperaturer, utan någon oro för frysning under 0 grader C. Som sådant erbjuder detta arbete avsevärda framsteg för utvecklingen av RFB av denna typ, " Skoltech doktorand Elena Romadina, första författaren till båda tidningarna, förklarar.

I de två tidningarna, Elena Romadina och hennes kollegor beskriver mycket lovande katolyt- och anolytmaterial för RFB-triarylaminbaserade material och ett fenazinderivat, respektive. De sju mycket lösliga redoxaktiva triarylaminbaserade föreningarna designades, syntetiseras och testas för löslighet och elektrokemiska egenskaper, med en av dem, pekas ut som den mest lovande kandidaten för fortsatta studier. Författarna betonar att de utvecklade föreningarna uppvisade nästan obegränsad löslighet i polära organiska lösningsmedel som acetonitril, vilket gör dem lovande för RFB:er med hög kapacitet. I den andra studien, ett fenazinderivat med oligomera etylenglykoletersubstituenter syntetiserades i en tvåstegsprocess och visade fast prestanda som en RFB-anolyt.

"Ett icke-vattenhaltigt organiskt redoxflödesbatteri betecknat som fenazinbaserad anolyt och mest lovande triarylaminbaserad katolyt uppvisade en hög cellspänning på 2,3 V, hög kapacitet,> 95 % coulombisk effektivitet och bra laddnings-urladdningscykelstabilitet under de 50 cyklerna, " skriver författarna i ChemComm papper.

"Som ett resultat av vårt arbete, vi presenterade en ny klass av föreningar som skulle kunna användas i RFB. Tidigare, poly-triarylaminer undersöktes som ett katodmaterial för metalljonceller, men denna klass av föreningar undersöktes inte i redoxflödesbatterier. Således, en ny och mycket lovande kärnstruktur öppnades för oss och andra forskare. Triarylaminer har en stabil och fullt reversibel redoxpotential, och kan lätt modifieras, ger olika redoxpotentialer och fysikaliska egenskaper. Dessutom, vi fann att triarylaminbaserade föreningar kunde behålla sina elektrokemiska egenskaper även i närvaro av vatten i organiskt lösningsmedel, vilket sänkte kraven på lösningsmedelsberedning och kostnad, ", tillägger Romadina.

"Vi tittar faktiskt på båda ändarna av batteriet i ett försök att höja cellspänningen i drift och för att förhindra annan nedbrytning av katolyter och anolyter. För att göra organiska RFB kommersiellt gångbara, vi behöver också forskning inom områden som skalbar syntes till låg kostnad av mycket lösliga redoxaktiva molekyler; utvecklingen av högpresterande membran som är bra jonledare, men inhiberar korsning av anolyter och katolyter vid laddning och urladdning; och skalningen av enhetskonfigurationer med större cell och stacknivå för att möjliggöra energilagring i nätskala, " Professor Keith Stevenson, Skoltech provost och medförfattare till tidningarna, säger.