Ellen Matson, sinistra, professore assistente di chimica, e la dottoranda Lauren VanGelder al lavoro nel laboratorio di Matson. VanGelder è l'autore principale di un articolo che descrive le modifiche a una batteria a flusso redox che la rendono quasi due volte più efficace per lo stoccaggio di energia elettrochimica. Credito:foto dell'Università di Rochester / Matson Lab
Per alimentare intere comunità con energia pulita, come l'energia solare ed eolica, è necessario un sistema di archiviazione di backup affidabile per fornire energia quando il sole non splende e il vento non soffia.
Una possibilità è quella di utilizzare l'energia solare ed eolica in eccesso per caricare soluzioni di sostanze chimiche che possono essere successivamente immagazzinate per l'uso quando il sole e il vento scarseggiano. A quel tempo, le soluzioni chimiche di carica opposta possono essere pompate attraverso elettrodi solidi, creando così uno scambio di elettroni che fornisce energia alla rete elettrica.
La chiave di questa tecnologia, chiamata batteria a flusso redox, sta trovando sostanze chimiche che non solo possono "trasportare" una carica sufficiente, ma anche essere conservate senza degradarsi per lunghi periodi, massimizzando così la produzione di energia e minimizzando i costi di rifornimento del sistema.
ricercatori dell'Università di Rochester, lavorando con i colleghi dell'Università di Buffalo, credono di aver trovato un composto promettente che potrebbe trasformare il panorama dello stoccaggio di energia.
In un articolo pubblicato su Scienze chimiche , una rivista ad accesso aperto della Royal Society of Chemistry, ricercatori nel laboratorio di Ellen Matson, professore assistente di chimica, descrivere la modifica di un cluster metallo-ossido, che ha proprietà elettroattive promettenti, in modo che sia quasi due volte più efficace del cluster non modificato per l'accumulo di energia elettrochimica in una batteria a flusso redox.
"Le applicazioni di accumulo di energia con poliossometallati sono piuttosto rare in letteratura, ", afferma l'autrice principale Lauren VanGelder, un dottorato di ricerca del terzo anno studente nel laboratorio di Matson. "Ci sono forse uno o due esempi prima del nostro, e non hanno davvero massimizzato il potenziale di questi sistemi."
Una batteria a flusso redox utilizza l'energia solare ed eolica in eccesso per caricare soluzioni di sostanze chimiche che possono essere successivamente immagazzinate per l'uso quando il sole e il vento scarseggiano. A quel tempo, le soluzioni chimiche di carica opposta possono essere pompate attraverso elettrodi solidi, creando così uno scambio di elettroni che fornisce energia alla rete elettrica. Credito:illustrazione dell'Università di Rochester / Michael Osadciw
"Questa è davvero un'area non sfruttata dello sviluppo molecolare, "aggiunge Matson.
Il cluster è stato sviluppato per la prima volta nel laboratorio del chimico tedesco Johann Spandl, e studiato per le sue proprietà magnetiche. I test condotti da VanGelder hanno dimostrato che il composto potrebbe immagazzinare la carica in una batteria a flusso redox, "ma non era stabile come speravamo."
Però, realizzando quella che Matson descrive come "una semplice modifica molecolare" - sostituendo i gruppi metossido derivati dal metanolo del composto con ligandi etossido a base di etanolo - il team è stato in grado di espandere la finestra potenziale durante la quale il cluster era stabile, raddoppiando la quantità di energia elettrica che potrebbe essere immagazzinata nella batteria.
Dice Matson:"La cosa veramente interessante di questo lavoro è il modo in cui possiamo generare i cluster di etossido e metossido utilizzando metanolo ed etanolo. Entrambi questi reagenti sono poco costosi, prontamente disponibile e sicuro da usare. Gli atomi di metallo e ossigeno che compongono il resto dell'ammasso sono elementi abbondanti della terra. Il diretto, una sintesi efficiente di questo sistema è una direzione totalmente nuova nello sviluppo dei portatori di carica che, noi crediamo, stabilirà un nuovo standard nel campo".
I test elettrochimici richiesti per questo studio hanno coinvolto apparecchiature e tecniche non precedentemente utilizzate nel laboratorio Matson. Da qui la collaborazione con Timothy Cook, assistente professore di chimica presso l'Università di Buffalo, e Anjula Kosswattaarachchi, uno studente laureato del quarto anno nel laboratorio Cook. VanGelder ha visitato il laboratorio Cook per la formazione sulle apparecchiature di prova, e, a sua volta, aiutò Kosswattaarachchi a sintetizzare composti.
I due gruppi hanno richiesto una sovvenzione della National Science Foundation come parte di una collaborazione in corso per perfezionare ulteriormente i cluster da utilizzare nelle batterie commerciali a flusso redox.
Matson ha sottolineato il "ruolo cruciale" svolto da VanGelder, che ha condotto i test e gli esperimenti iniziali sui cluster mentre Matson era in congedo di maternità. "Come studente del terzo anno, ha fatto un lavoro incredibile nell'iniziare questo progetto. Ha svolto un ruolo importante nel guidare questo sforzo di ricerca in laboratorio, "dice Matson.
