Il ciclo della batteria di flusso. Quando la molecola si decompone durante il ciclo regolare, può essere rianimata creando un impulso di tensione che riporta le molecole in decomposizione alla loro forma originale. Credito:Aziz Lab/Harvard SEAS
I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con i colleghi dell'Università di Cambridge, hanno sviluppato un nuovo metodo per prolungare notevolmente la durata delle batterie organiche a flusso acquoso, migliorando la fattibilità commerciale di un tecnologia che ha il potenziale per immagazzinare in modo sicuro ed economico energia da fonti rinnovabili come eolico e solare.
"Le batterie organiche a flusso redox acquoso promettono di ridurre significativamente i costi di stoccaggio dell'elettricità da fonti di energia intermittenti, ma l'instabilità delle molecole organiche ha ostacolato la loro commercializzazione", ha affermato Michael Aziz, Gene e Tracy Sykes Professor of Materials and Energy Technologies presso SEAS . "Ora abbiamo una soluzione davvero pratica per prolungare la durata di queste molecole, il che è un enorme passo avanti per rendere competitive queste batterie."
La ricerca è pubblicata in Nature Chemistry .
Negli ultimi dieci anni, Aziz e Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot Professore di Chimica e Professore di Scienza dei Materiali, hanno collaborato allo sviluppo di batterie organiche a flusso acquoso utilizzando molecole note come antrachinoni, che sono composte da elementi naturalmente abbondanti come carbonio, idrogeno, e ossigeno, per immagazzinare e rilasciare energia.
Nel corso della loro ricerca, il team ha scoperto che questi antrachinoni si decompongono lentamente nel tempo, indipendentemente dal numero di volte in cui la batteria è stata utilizzata.
In un lavoro precedente, i ricercatori hanno scoperto che potevano prolungare la vita di una di queste molecole, denominata DHAQ ma soprannominata "zombie chinone" in laboratorio, esponendo la molecola all'aria. Il team ha scoperto che se la molecola è esposta all'aria nella parte giusta del suo ciclo di carica-scarica, cattura l'ossigeno dall'aria e torna nella molecola di antrachinone originale, come se tornasse dalla morte, da cui il soprannome.
Ma esporre regolarmente l'elettrolito di una batteria all'aria non è esattamente pratico, poiché fa sbilanciare i due lati della batteria:entrambi i lati della batteria non possono più essere completamente caricati contemporaneamente.
Per trovare un approccio più pratico, i ricercatori hanno collaborato con i chimici dell'Università di Cambridge nel Regno Unito per capire meglio come le molecole si decompongono e hanno inventato un metodo elettrico per invertire il processo.
Il team ha scoperto che se eseguivano una cosiddetta scarica profonda, in cui i terminali positivo e negativo della batteria si scaricano in modo che la differenza di tensione tra i due diventi zero, e quindi invertono la polarità della batteria, forzando il lato positivo negativo e il lato negativo positivo, ha creato un impulso di tensione che potrebbe riportare le molecole in decomposizione alla loro forma originale.
"Di solito, quando si utilizzano altri tipi di batterie, si desidera evitare di scaricare completamente la batteria perché tende a degradarne i componenti", ha affermato Yan Jing, un borsista post-dottorato ad Harvard e co-primo autore dell'articolo. "Ma abbiamo scoperto che questa scarica estrema, fino a invertire effettivamente la polarità, può ricomporre queste molecole, il che è stata una sorpresa".
Il processo funziona un po' come un pacemaker, fornendo periodicamente uno shock al sistema che fa rivivere le molecole decomposte.
In questo documento, i ricercatori hanno dimostrato una durata netta 17 volte più lunga rispetto alla ricerca precedente. Nella ricerca successiva, che ha perfezionato il processo, i ricercatori hanno dimostrato un aumento ancora maggiore della vita, fino a 260 volte più lungo, portando a un tasso di perdita inferiore al 10% all'anno. Quella ricerca deve ancora essere pubblicata.
"Raggiungere una percentuale di perdita di una cifra all'anno consente davvero una commercializzazione diffusa perché non è un grosso onere finanziario riempire i propri carri armati di una piccola percentuale ogni anno", ha affermato Aziz.
L'Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questo progetto e ha concesso in licenza la tecnologia e altri brevetti correlati sulle batterie a flusso di chinone a Quino Energy, una startup che persegue il suo sviluppo commerciale.
Il team di ricerca ha anche dimostrato che questo approccio funziona per una serie di molecole organiche e per una serie di processi di scarica profonda, sia con che senza inversione di polarità. Successivamente, il team mira a esplorare quanto ulteriormente possono prolungare la durata del DHAQ e di altri antrachinoni poco costosi che sono stati utilizzati in questi sistemi.
"Ci si può aspettare che le batterie a flusso rappresentino la prossima ondata nella tecnologia di accumulo oltre al litio, in particolare le batterie con elettroliti organici", ha affermato Imre Gyuk, direttore del programma Office of Electricity Storage del Dipartimento dell'energia. "Questo lavoro consente il controllo del processo di decomposizione, prolungando così notevolmente la durata e consentendo applicazioni per l'accumulo di energia a media e lunga durata."
La ricerca è stata co-autrice della ricerca da Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray e Roy G. Gordon. + Esplora ulteriormente
