En teknik baserad på MRI:s principer har gjort det möjligt för forskare att inte bara observera hur nästa generations batterier för storskalig energilagring fungerar, men också hur de misslyckas, som kommer att hjälpa till att utveckla strategier för att förlänga batteriets livslängd till stöd för övergången till en koldioxidfri framtid.

De nya verktygen, utvecklat av forskare vid University of Cambridge, kommer att hjälpa forskare att designa mer effektiva och säkrare batterisystem för energilagring i nätskala. Dessutom, tekniken kan tillämpas på andra typer av batterier och elektrokemiska celler för att lösa upp de komplexa reaktionsmekanismer som uppstår i dessa system, och att upptäcka och diagnostisera fel.

Forskarna testade sina tekniker på organiska redoxflödesbatterier, lovande kandidater att lagra tillräckligt med förnybar energi för att driva städer, men som försämras för snabbt för kommersiella tillämpningar. Forskarna fann att genom att ladda batterierna vid en lägre spänning, de kunde avsevärt sänka nedbrytningshastigheten, förlänger batteriernas livslängd. Resultaten rapporteras i journalen Natur .

Batterier är en viktig del av övergången från fossila bränslebaserade energikällor. Utan batterier som kan lagras i rutnät, det blir omöjligt att driva ekonomin med enbart förnybar energi. Och litiumjonbatterier, medan den är lämplig för konsumentelektronik, inte lätt skala upp till en tillräcklig storlek för att lagra tillräckligt med energi för att driva en hel stad, till exempel. Brandfarliga material i litiumjonbatterier utgör också potentiella säkerhetsrisker. Ju större batteri, desto mer potentiell skada kan det orsaka om det tar eld.

Redox -flödesbatterier är en möjlig lösning på detta tekniska pussel. De består av två tankar med elektrolytvätska, en positiv och en negativ, och kan skalas upp bara genom att öka tankarnas storlek, vilket gör dem mycket lämpliga för förvaring av förnybar energi. Dessa rumstora, eller till och med byggnadsstorlek, icke brandfarliga batterier kan spela en nyckelroll i framtida gröna energinät.

Flera företag utvecklar för närvarande redoxflödesbatterier för kommersiella applikationer, varav de flesta använder vanadin som elektrolyt. Dock, vanadin är dyrt och giftigt, så batteriforskare arbetar med att utveckla ett redoxflödesbatteri baserat på organiska material som är billigare och mer hållbara. Dock, dessa molekyler tenderar att brytas ned snabbt.

"Eftersom de organiska molekylerna tenderar att brytas ner snabbt, det betyder att de flesta batterier som använder dem som elektrolyter inte kommer att hålla särskilt länge, gör dem olämpliga för kommersiella tillämpningar, "säger Dr Evan Wenbo Zhao från Cambridge Department of Chemistry, och tidningens första författare. "Även om vi har vetat detta ett tag, Det vi inte alltid har förstått är varför detta händer. "

Nu, Zhao och hans kollegor i professor Clare Greys forskargrupp i Cambridge, tillsammans med medarbetare från Storbritannien, Sverige och Spanien, har utvecklat två nya tekniker för att titta inuti organiska redoxflödesbatterier för att förstå varför elektrolyten bryts ner och förbättra deras prestanda.

Med hjälp av "realtids" nukleära magnetiska resonansstudier (NMR), ett slags funktionellt 'MR för batterier', och metoder utvecklade av professor Greys grupp, forskarna kunde läsa resonanssignaler från de organiska molekylerna, både i sina ursprungliga tillstånd och som de degraderades till andra molekyler. Dessa 'operando' NMR-studier av nedbrytning och självurladdning i redoxflödesbatterier ger insikter om reaktionernas interna underliggande mekanismer, såsom radikalbildning och elektronöverföringar mellan de olika redoxaktiva arterna i lösningarna.

"Det finns få in situ mekanistiska studier av organiska redoxflödesbatterier, system som för närvarande begränsas av nedbrytningsproblem, "sa Gray." Vi måste förstå både hur dessa system fungerar och även hur de misslyckas om vi ska göra framsteg inom detta område. "

Forskarna fann att under vissa förhållanden, de organiska molekylerna tenderade att brytas ned snabbare. "Om vi ​​ändrar laddningsförhållandena genom att ladda med en lägre spänning, elektrolyten varar längre, "sa Zhao." Vi kan också ändra strukturen hos de organiska molekylerna så att de bryts ner långsammare. Vi förstår nu bättre varför laddningsförhållandena och molekylära strukturer spelar roll. "

Forskarna vill nu tillämpa sin NMR -inställning på andra typer av organiska redoxflödesbatterier, liksom på andra typer av nästa generations batterier, som litium-luftbatterier.

"Vi är glada över det stora utbudet av möjliga tillämpningar av denna metod för att övervaka en mängd olika elektrokemiska system medan de används, "sa Gray.

Till exempel, NMR -tekniken kommer att användas för att utveckla en bärbar "hälsokontroll" -enhet för att diagnostisera dess tillstånd.

"Med en sådan enhet, det kan vara möjligt att kontrollera elektrolytens tillstånd i ett fungerande organiskt redoxflödesbatteri och byta ut det om det behövs, "sa Zhao." Eftersom elektrolyten för dessa batterier är billig och giftfri, detta skulle vara en relativt enkel process, förlänga batteriernas livslängd. "