Efter år av att göra framsteg med ett organiskt vattenflödesbatteri, Forskare från Harvard University stötte på ett problem:de organiska antrakinonmolekylerna som drev deras banbrytande batteri sönderdelade långsamt över tiden, minskar batteriets långsiktiga användbarhet.

Nu, forskarna – ledda av Michael Aziz, Gene och Tracy Sykes professor i material och energiteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi och professor i materialvetenskap - har inte bara räknat ut hur molekylerna bryts ned, men också hur man kan mildra och till och med vända nedbrytningen.

Den dödsföraktande molekylen, namngav DHAQ i sin tidning men kallade "zombiekinonen" i labbet, är bland de billigaste att producera i stor skala. Teamets föryngringsmetod minskar kapacitetens blekningshastighet för batteriet med minst en faktor 40, samtidigt som batteriet kan bestå helt av lågkostnadskemikalier.

Forskningen publicerades i Journal of the American Chemical Society .

"Låga massproduktionskostnader är verkligen viktigt om organiska flödesbatterier ska få bred marknadspenetration, " sa Aziz. "Så, om vi kan använda dessa tekniker för att förlänga DHAQ:s livslängd till decennier, då har vi en vinnande kemi."

"Detta är ett stort steg framåt för att göra det möjligt för oss att ersätta fossila bränslen med intermittent förnybar el, sa Gordon.

Sedan 2014, Aziz, Gordon och deras team har varit banbrytande för utvecklingen av säkra och kostnadseffektiva organiska vattenflödesbatterier för att lagra elektricitet från intermittenta förnybara källor som vind och sol och leverera den när vinden inte blåser och solen inte skiner. Deras batterier använder molekyler som kallas antrakinoner, som är sammansatta av naturligt rikliga grundämnen som kol, väte, och syre, att lagra och frigöra energi.

I början, forskarna trodde att molekylernas livslängd berodde på hur många gånger batteriet laddades och laddades ur, som i solid-elektrodbatterier som litiumjon. Dock, för att förena inkonsekventa resultat, forskarna upptäckte att dessa antrakinoner sönderfaller långsamt med tiden, oavsett hur många gånger batteriet har använts. De fann att mängden nedbrytning baserades på molekylernas kalenderålder, inte hur ofta de har laddats och laddats ur.

Den upptäckten fick forskarna att studera mekanismerna genom vilka molekylerna bröts ned.

"Vi fann att dessa antrakinonmolekyler, som har två syreatomer inbyggda i en kolring, har en liten tendens att förlora en av sina syreatomer när de laddas upp, att bli en annan molekyl, sade Gordon. När det väl händer, det startar en kedjereaktion av händelser som leder till irreversibel förlust av energilagringsmaterial."

Forskarna hittade två tekniker för att undvika den kedjereaktionen. Den första:exponera molekylen för syre. Teamet fann att om molekylen exponeras för luft i precis rätt del av sin laddnings-urladdningscykel, den tar syret från luften och förvandlas tillbaka till den ursprungliga antrakinonmolekylen – som om den återvände från de döda. Ett enda experiment återställde 70 procent av den förlorade kapaciteten på detta sätt.

Andra, teamet fann att överladdning av batteriet skapar förhållanden som påskyndar nedbrytningen. Att undvika överladdning förlänger livslängden med en faktor 40.

"I framtida arbete, vi måste bestämma hur mycket kombinationen av dessa metoder kan förlänga batteriets livslängd om vi konstruerar dem rätt, sa Aziz.

"Sönderdelnings- och återfödelsemekanismerna kommer sannolikt att vara relevanta för alla antrakinoner, och antrakinoner har varit de bäst erkända och mest lovande organiska molekylerna för flödesbatterier, sa Gordon.

"Detta viktiga arbete representerar ett betydande framsteg mot låga kostnader, flödesbatterier med lång livslängd, " sa Imre Gyuk, Direktör för Department of Energy's Office of Electricity Storage Program. "Sådana enheter behövs för att tillåta elnätet att absorbera ökande mängder grön men varierande förnybar produktion."