Una tecnica basata sui principi della risonanza magnetica ha permesso ai ricercatori di osservare non solo come funzionano le batterie di nuova generazione per l'accumulo di energia su larga scala, ma anche come falliscono, che aiuterà nello sviluppo di strategie per estendere la durata delle batterie a sostegno della transizione verso un futuro a zero emissioni di carbonio.

I nuovi strumenti, sviluppato da ricercatori dell'Università di Cambridge, aiuterà gli scienziati a progettare sistemi di batterie più efficienti e più sicuri per lo stoccaggio di energia su scala di rete. Inoltre, la tecnica può essere applicata ad altri tipi di batterie e celle elettrochimiche per districare i complessi meccanismi di reazione che si verificano in questi sistemi, e per rilevare e diagnosticare i guasti.

I ricercatori hanno testato le loro tecniche su batterie organiche a flusso redox, candidati promettenti per immagazzinare energia rinnovabile sufficiente per alimentare città e paesi, ma che si degradano troppo rapidamente per applicazioni commerciali. I ricercatori hanno scoperto che caricando le batterie a una tensione inferiore, sono stati in grado di rallentare significativamente il tasso di degrado, prolungando la durata delle batterie. I risultati sono riportati sulla rivista Natura .

Le batterie sono una parte vitale della transizione dalle fonti di energia basate sui combustibili fossili. Senza batterie in grado di immagazzinare su scala di rete, sarà impossibile alimentare l'economia utilizzando esclusivamente energie rinnovabili. E batterie agli ioni di litio, mentre adatto per l'elettronica di consumo, non scalare facilmente fino a dimensioni sufficienti per immagazzinare energia sufficiente per alimentare un'intera città, ad esempio. Anche i materiali infiammabili nelle batterie agli ioni di litio rappresentano potenziali rischi per la sicurezza. Più grande è la batteria, maggiore è il danno potenziale che potrebbe causare se prende fuoco.

Le batterie a flusso redox sono una possibile soluzione a questo puzzle tecnologico. Sono costituiti da due serbatoi di liquido elettrolitico, uno positivo e uno negativo, e può essere scalato semplicemente aumentando le dimensioni dei serbatoi, rendendoli altamente adatti per lo stoccaggio di energia rinnovabile. Queste dimensioni di una stanza, o anche delle dimensioni di un edificio, le batterie non infiammabili possono svolgere un ruolo chiave nelle future reti di energia verde.

Diverse aziende stanno attualmente sviluppando batterie a flusso redox per applicazioni commerciali, la maggior parte dei quali usa il vanadio come elettrolita. Però, il vanadio è costoso e tossico, quindi i ricercatori stanno lavorando per sviluppare una batteria a flusso redox basata su materiali organici che siano più economici e più sostenibili. Però, queste molecole tendono a degradarsi rapidamente.

"Poiché le molecole organiche tendono a degradarsi rapidamente, significa che la maggior parte delle batterie che le utilizzano come elettroliti non dureranno molto a lungo, rendendoli inadatti per applicazioni commerciali, " ha detto il dottor Evan Wenbo Zhao del Dipartimento di Chimica di Cambridge, e il primo autore dell'articolo. "Mentre lo sappiamo da un po', quello che non abbiamo sempre capito è il motivo per cui questo sta accadendo".

Ora, Zhao e i suoi colleghi del gruppo di ricerca della professoressa Clare Grey a Cambridge, insieme a collaboratori dal Regno Unito, Svezia e Spagna, hanno sviluppato due nuove tecniche per sbirciare all'interno delle batterie a flusso redox organico al fine di capire perché l'elettrolita si rompe e migliorarne le prestazioni.

Utilizzando studi di risonanza magnetica nucleare (NMR) in "tempo reale", una sorta di 'MRI per batterie' funzionale, e metodi sviluppati dal gruppo del Professor Grey, i ricercatori sono stati in grado di leggere i segnali di risonanza delle molecole organiche, sia nei loro stati originali che mentre si degradavano in altre molecole. Questi studi NMR "operando" sulla degradazione e l'autoscarica nelle batterie a flusso redox forniscono approfondimenti sui meccanismi interni alla base delle reazioni, quali formazione di radicali e trasferimenti di elettroni tra le diverse specie redox-attive nelle soluzioni.

"Ci sono pochi studi meccanicistici in situ sulle batterie a flusso redox organico, sistemi che sono attualmente limitati da problemi di degrado, " ha detto Grey. "Dobbiamo capire sia come funzionano questi sistemi che come falliscono se vogliamo fare progressi in questo campo".

I ricercatori hanno scoperto che in determinate condizioni, le molecole organiche tendevano a degradarsi più rapidamente. "Se cambiamo le condizioni di carica caricando a una tensione inferiore, l'elettrolita dura più a lungo, " ha detto Zhao. "Possiamo anche cambiare la struttura delle molecole organiche in modo che si degradino più lentamente. Ora capiamo meglio perché le condizioni di carica e le strutture molecolari sono importanti".

I ricercatori ora vogliono applicare la loro configurazione NMR su altri tipi di batterie organiche a flusso redox, così come su altri tipi di batterie di nuova generazione, come le batterie al litio-aria.

"Siamo entusiasti dell'ampia gamma di potenziali applicazioni di questo metodo per monitorare una varietà di sistemi elettrochimici mentre sono in funzione, " disse Grigio.

Per esempio, la tecnica NMR sarà utilizzata per sviluppare un dispositivo portatile di "controllo dello stato di salute" della batteria per diagnosticare le sue condizioni.

"Utilizzando un tale dispositivo, potrebbe essere possibile controllare le condizioni dell'elettrolita in una batteria a flusso redox organico funzionante e sostituirla se necessario, " ha detto Zhao. "Dal momento che l'elettrolita per queste batterie è poco costoso e non tossico, questo sarebbe un processo relativamente semplice, prolungando la vita di queste batterie."