Dopo anni di progressi su una batteria organica a flusso acquoso, I ricercatori dell'Università di Harvard si sono imbattuti in un problema:le molecole organiche di antrachinone che alimentavano la loro rivoluzionaria batteria si stavano lentamente decomponendo nel tempo, riducendo l'utilità a lungo termine della batteria.

Ora, i ricercatori, guidati da Michael Aziz, il professore Gene e Tracy Sykes di tecnologie dei materiali e dell'energia presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Roy Gordon, il professore di chimica e di scienza dei materiali Thomas Dudley Cabot, hanno scoperto non solo come si decompongono le molecole, ma anche come mitigare e persino invertire la decomposizione.

La molecola che sfida la morte, chiamato DHAQ nel loro giornale ma soprannominato "zombie chinone" in laboratorio, è tra le più economiche da produrre su larga scala. Il metodo di ringiovanimento del team riduce la velocità di dissolvenza della capacità della batteria di almeno un fattore 40, pur consentendo alla batteria di essere composta interamente da prodotti chimici a basso costo.

La ricerca è stata pubblicata su Giornale della Società Chimica Americana .

"Il basso costo di produzione di massa è davvero importante se le batterie a flusso organico otterranno un'ampia penetrazione nel mercato, " disse Aziz. "Allora, se possiamo usare queste tecniche per estendere la durata del DHAQ a decenni, allora abbiamo una chimica vincente".

"Questo è un importante passo avanti per permetterci di sostituire i combustibili fossili con elettricità rinnovabile intermittente, " disse Gordon.

Dal 2014, Aziz, Gordon e il loro team sono stati pionieri nello sviluppo di batterie organiche a flusso acquoso sicure ed economiche per immagazzinare elettricità da fonti rinnovabili intermittenti come il vento e il solare e consegnarla quando il vento non soffia e il sole non splende. Le loro batterie utilizzano molecole note come antrachinoni, che sono composti da elementi naturalmente abbondanti come il carbonio, idrogeno, e ossigeno, immagazzinare e rilasciare energia.

All'inizio, i ricercatori pensavano che la durata delle molecole dipendesse da quante volte la batteria è stata caricata e scaricata, come nelle batterie a elettrodi solidi come gli ioni di litio. Però, nel conciliare risultati inconsistenti, i ricercatori hanno scoperto che questi antrachinoni si decompongono lentamente nel corso del tempo, indipendentemente da quante volte è stata utilizzata la batteria. Hanno scoperto che la quantità di decomposizione era basata sull'età del calendario delle molecole, non quante volte sono stati caricati e scaricati.

Quella scoperta ha portato i ricercatori a studiare i meccanismi con cui le molecole si stavano decomponendo.

"Abbiamo scoperto che queste molecole di antrachinone, che hanno due atomi di ossigeno integrati in un anello di carbonio, hanno una leggera tendenza a perdere uno dei loro atomi di ossigeno quando sono carichi, diventando una molecola diversa, " disse Gordon. "Una volta che ciò accadrà, inizia una reazione a catena di eventi che porta alla perdita irreversibile di materiale di accumulo di energia."

I ricercatori hanno trovato due tecniche per evitare quella reazione a catena. Il primo:esporre la molecola all'ossigeno. Il team ha scoperto che se la molecola è esposta all'aria proprio nella parte giusta del suo ciclo di carica-scarica, cattura l'ossigeno dall'aria e si trasforma di nuovo nella molecola di antrachinone originale, come se tornasse dalla morte. Un singolo esperimento ha recuperato in questo modo il 70% della capacità perduta.

Secondo, il team ha scoperto che il sovraccarico della batteria crea condizioni che accelerano la decomposizione. Evitare il sovraccarico prolunga la durata di un fattore 40.

"Nel lavoro futuro, dobbiamo determinare quanto la combinazione di questi approcci può prolungare la durata della batteria se li progettiamo correttamente, " disse Aziz.

"È probabile che i meccanismi di decomposizione e rinascita siano rilevanti per tutti gli antrachinoni, e gli antrachinoni sono state le molecole organiche più riconosciute e più promettenti per le batterie a flusso, " disse Gordon.

"Questo importante lavoro rappresenta un significativo passo avanti verso il basso costo, batterie di flusso a lunga durata, " disse Imre Gyuk, Direttore del programma dell'Ufficio per lo stoccaggio dell'energia elettrica del Dipartimento dell'Energia. "Tali dispositivi sono necessari per consentire alla rete elettrica di assorbire quantità crescenti di generazione rinnovabile verde ma variabile".