Nuevo enfoque derriba importante barrera para la comercialización de baterías de flujo orgánico

El proceso funciona un poco como un marcapasos, proporcionando periódicamente una descarga al sistema que revive las moléculas descompuestas dentro de las baterías. Sus resultados, publicados en la revista Química de la naturalezademostró una vida útil neta 17 veces más larga que la investigación anterior.

“Las baterías orgánicas acuosas de flujo redox prometen reducir significativamente los costos de almacenamiento de electricidad a partir de fuentes de energía intermitentes, pero la inestabilidad de las moléculas orgánicas ha dificultado su comercialización”, dijo el coautor Michael Aziz de Harvard. “Ahora, tenemos una solución verdaderamente práctica para extender la vida útil de estas moléculas, lo cual es un gran paso para hacer que estas baterías sean competitivas”.

Durante la última década, los investigadores han estado desarrollando baterías orgánicas de flujo acuoso utilizando moléculas conocidas como antraquinonas, compuestas de elementos naturalmente abundantes como el carbono, el hidrógeno y el oxígeno, para almacenar y liberar energía.

En el transcurso de su investigación, el equipo descubrió que estas antraquinonas se descomponen lentamente con el tiempo, independientemente de cuántas veces se haya usado la batería.

En trabajos anteriores, los investigadores descubrieron que podían extender la vida útil de una de estas moléculas, llamada DHAQ pero denominada «zombie quinona» en el laboratorio, al exponer la molécula al aire. El equipo descubrió que si la molécula se expone al aire en la parte correcta de su ciclo de carga y descarga, toma el oxígeno del aire y se convierte de nuevo en la molécula de antraquinona original, como si regresara de entre los muertos.

Pero exponer regularmente el electrolito de una batería al aire no es exactamente práctico, ya que desequilibra los dos lados de la batería: ambos lados de la batería ya no pueden cargarse completamente al mismo tiempo.

Para encontrar un enfoque más práctico, los investigadores desarrollaron una mejor comprensión de cómo se descomponen las moléculas e inventaron un método eléctrico para revertir el proceso.

Investigadores del grupo de la profesora Clare Grey en el Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, llevaron a cabo mediciones de resonancia magnética nuclear (RMN) in situ -esencialmente ‘IRM para baterías’- y descubrieron la recomposición de materiales activos mediante un método eléctrico, el llamado método profundo descarga.

El equipo descubrió que si realizaban una descarga profunda, en la que los terminales positivo y negativo de la batería se agotaban de modo que la diferencia de voltaje entre los dos se volvía cero, y luego invertían la polaridad de la batería, forzando el lado positivo negativo y el negativo. lado positivo, creó un pulso de voltaje que podría restablecer las moléculas en descomposición a su forma original.

“Por lo general, al hacer funcionar las baterías, desea evitar agotar la batería por completo porque tiende a degradar sus componentes”, dijo el coautor Yan Jing de Harvard. «Pero descubrimos que esta descarga extrema en la que invertimos la polaridad puede recomponer estas moléculas, lo cual fue una sorpresa».

“Llegar a un porcentaje de pérdida de un solo dígito por año realmente permite una comercialización generalizada porque no es una carga financiera importante completar sus tanques en un pequeño porcentaje cada año”, dijo Aziz.

El equipo de investigación también demostró que este enfoque funciona para una variedad de moléculas orgánicas. A continuación, pretenden explorar cuánto más pueden extender la vida útil de DHAQ y otras antraquinonas económicas que se han utilizado en estos sistemas.

«Lo más sorprendente y hermoso para mí es que esta molécula orgánica pueda transformarse de una manera tan compleja, con múltiples reacciones químicas y electroquímicas que ocurren simultánea o secuencialmente», dijo el coautor Dr. Evan Wenbo Zhao, quien llevó a cabo el trabajo mientras estuvo basado en Cambridge, y ahora está basado en Radboud University Nijmegen en los Países Bajos. «Sin embargo, podemos deshacer muchas de estas reacciones y dejar que sucedan de una manera controlada que favorece el funcionamiento de una batería de flujo redox».

La investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Centro de Materiales Avanzados para Sistemas Integrados de Energía (CAM-IES); el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) y el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), los cuales forman parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).

Referencia:
Yan Jing et al. ‘Regeneración electroquímica de antraquinonas para prolongar la vida útil en baterías de flujo’. Química de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-00967-4

Adaptado de un comunicado de prensa de la Universidad de Harvard.