Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har i samarbete med kollegor vid University of Cambridge utvecklat en ny metod för att dramatiskt förlänga livslängden för organiska vattenflödesbatterier, vilket förbättrar den kommersiella livskraften för en teknik som har potential att säkert och billigt lagra energi från förnybara källor som vind och sol.

"Organiska vattenhaltiga redoxflödesbatterier lovar att avsevärt sänka kostnaderna för lagring av el från intermittenta energikällor, men instabiliteten hos de organiska molekylerna har hindrat deras kommersialisering", säger Michael Aziz, Gene och Tracy Sykes professor i material och energiteknik vid SEAS . "Nu har vi en verkligt praktisk lösning för att förlänga livslängden för dessa molekyler, vilket är ett enormt steg för att göra dessa batterier konkurrenskraftiga."

Forskningen är publicerad i Nature Chemistry .

Under det senaste decenniet har Aziz och Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot-professorn i kemi och professor i materialvetenskap, samarbetat för att utveckla organiska vattenflödesbatterier med hjälp av molekyler kända som antrakinoner, som är sammansatta av naturligt rikliga element som kol, väte, och syre, för att lagra och frigöra energi.

Under loppet av sin forskning upptäckte teamet att dessa antrakinoner sönderdelas långsamt över tiden, oavsett hur många gånger batteriet har använts.

I tidigare arbete fann forskarna att de kunde förlänga livslängden för en av dessa molekyler, som heter DHAQ men kallad "zombiekinon" i labbet, genom att exponera molekylen för luft. Teamet fann att om molekylen exponeras för luft i precis den högra delen av sin laddnings-urladdningscykel, tar den syre från luften och förvandlas tillbaka till den ursprungliga antrakinonmolekylen - som om den återvände från de döda, därav smeknamnet.

Men att regelbundet utsätta ett batteris elektrolyt för luft är inte precis praktiskt, eftersom det driver de två sidorna av batteriet ur balans – båda sidorna av batteriet kan inte längre laddas helt samtidigt.

För att hitta ett mer praktiskt tillvägagångssätt samarbetade forskarna med kemister vid University of Cambridge i Storbritannien för att bättre förstå hur molekylerna sönderdelas och uppfann en elektrisk metod för att vända processen.

Teamet fann att om de utförde en så kallad djupurladdning, där de positiva och negativa polerna på batteriet tappas så att spänningsskillnaden mellan de två blir noll, och sedan vände batteriets polaritet, vilket tvingar den positiva sidan negativ och negativ sida positiv skapade den en spänningspuls som kunde återställa de sönderfallande molekylerna tillbaka till sin ursprungliga form.

"Vanligtvis, när du kör andra typer av batterier, vill du undvika att tömma batteriet helt eftersom det tenderar att försämra dess komponenter", säger Yan Jing, en postdoktor vid Harvard och medförfattare till tidningen. "Men vi har funnit att denna extrema urladdning, upp till att faktiskt vända polariteten, kan återkomponera dessa molekyler - vilket var en överraskning."

Processen fungerar lite som en pacemaker och ger periodvis en chock till systemet som återupplivar nedbrutna molekyler.

I denna artikel visade forskarna en nettolivslängd 17 gånger längre än tidigare forskning. I efterföljande forskning, som förfinade processen, visade forskarna en ännu större ökning av livslängden, upp till 260 gånger längre, vilket ledde till en förlustfrekvens på under 10 % per år. Den forskningen har ännu inte publicerats.

"Att komma till en ensiffrig procentandel av förlusten per år möjliggör verkligen en utbredd kommersialisering eftersom det inte är en stor ekonomisk börda att fylla på dina tankar med några procent varje år", säger Aziz.

Harvards Office of Technology Development har skyddat den immateriella egendom som är associerad med detta projekt och har licensierat tekniken och andra relaterade patent på kinonflödesbatterier till Quino Energy, en startup som driver sin kommersiella utveckling.

Forskargruppen visade också att detta tillvägagångssätt fungerar för en rad organiska molekyler och för en rad djupurladdningsprocesser, både med och utan polaritetsomkastning. Därefter siktar teamet på att utforska hur mycket ytterligare de kan förlänga livslängden för DHAQ och andra billiga antrakinoner som har använts i dessa system.

"Flödesbatterier kan förväntas bli nästa våg inom lagringsteknologi bortom litium - särskilt batterier med organiska elektrolyter", säger Imre Gyuk, direktör för Department of Energy's Office of Electricity Storage-program. "Detta arbete tillåter kontroll av nedbrytningsprocessen, vilket förlänger livslängden avsevärt och möjliggör tillämpningar för medel- och långvarig energilagring."

Forskningen var medförfattare av Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray och Roy G. Gordon. + Utforska vidare

Nytt organiskt flödesbatteri väcker sönderfallande molekyler till liv igen