För att upprätthålla den mänskliga civilisationen i framtiden, rena energikällor måste utnyttjas för att ersätta de fossila bränslen som nu förorenar vår atmosfär. Sol- och vindenergi kan leverera all nödvändig energi. Dock, förvaring kommer att behövas när solen inte skiner och vinden inte blåser.

Organiska flödesbatterier är potentiellt säkrare, billigare alternativ till litiumjonbatterier och vanadinflödesbatterier för storskalig lagring av förnybar energi.

Nu, Harvard-forskare har visat en ny organisk molekyl som överlever och överträffar sina föregångare, erbjuder det längsta hållbara högpresterande organiska flödesbatteriet hittills. Med smeknamnet Metuselah-kinonen – efter den bibliska figuren som har levt längst – kunde denna molekyl med fördel lagra och frigöra energi många tiotusentals gånger under flerårsperioder.

Forskningen publiceras i tidskriften Joule .

Forskningen leddes av Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi och professor i materialvetenskap, och Michael Aziz, Gene och Tracy Sykes professor i material och energiteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Vi designade och byggde en ny organisk förening som kan lagra elektrisk energi och som dessutom har en mycket lång livslängd innan den bryts ned, ", sade Gordon. "Vi upptäckte nedbrytningsprocesser av molekylerna som vi tidigare använde i flödesbatterier. Sedan skapade vi nya, mer stabila molekyler som undviker dessa problem."

"I tidigare arbete, vi hade visat en kemi med lång livslängd men låg spänning, vilket leder till låg energilagring per molekyl, vilket leder till höga kostnader för en given mängd lagrad energi, " sa Aziz. "Nu, vi har den första kemin som har både långtidsstabilitet och kommer in på mer än en volt, som vanligtvis anses vara tröskeln för kommersiell utbyggnad. Jag tror att det är det första organiskt baserade flödesbatteriet som uppfyller alla tekniska kriterier för praktisk implementering."

Den nya kemin bygger på tidigare forskning ledd av Aziz och Gordon. Metusalem-molekylen är en modifierad kinon, en riklig, naturligt förekommande molekyler som är integrerade i biologiska processer som fotosyntes och cellandning. Samarbetar med professor i teoretisk kemi Alán Aspuru-Guzik, deras forskargrupp karakteriserade nedbrytningsprocessen av tidigare kinonmolekyler i flödesbatterier och gjorde modifieringar för att öka kalenderlivslängden.

I experiment i deras laboratorier, Metuselah-molekylen hade en blekningshastighet på mindre än 0,01 procent per dag och mindre än 0,001 procent per laddnings-/urladdningscykel – vilket extrapoleras till mindre än 3 procents nedbrytning under loppet av ett år – och användbar drift under tiotusentals cykler.

Metusalem visade sig också vara mycket löslig, vilket innebär att den kan lagra mer energi på ett mindre utrymme. Den verkar i en svag alkalisk elektrolyt, minska kostnaden för batteriet genom att tillåta användningen av billiga inneslutningsmaterial och ett billigt polymermembran för att separera de positiva och negativa polerna.

Alla dessa framsteg minskar kostnaden för lagring och kan göra organisk lagringskemi kostnadseffektiv för långvarig urladdning.

"Denna forskning visar potentialen hos organiskt, sa David Kwabi, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Vi visar att organiska molekyler är livskraftiga, långvarig, kostnadseffektivt alternativ till dyra vanadinbatterier."

Forskningen stöddes av U.S.DOE Office of Electricity energy storage program, av Advanced Research Projects Agency—Energy, av Innovationsfonden Danmark, av Massachusetts Clean Energy Technology Center, och av Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

"Detta viktiga arbete representerar ett betydande framsteg mot låga kostnader, långvariga flödesbatterier, " sa Imre Gyuk, Direktör för DOE:s kontor för ellagringsprogram. "Sådana enheter behövs för att tillåta elnätet att absorbera ökande mängder grön men varierande förnybar produktion."

Med hjälp av Harvards Office of Technology Development (OTD), forskarna söker kommersiella partners för att skala upp tekniken för industriella tillämpningar. Harvard OTD har lämnat in en portfölj av patentsökta patent på innovationer inom flödesbatteriteknologi.