Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), en colaboración con colegas de la Universidad de Cambridge, han desarrollado un nuevo método para extender drásticamente la vida útil de las baterías orgánicas de flujo acuoso, mejorando la viabilidad comercial de un tecnología que tiene el potencial de almacenar energía de forma segura y económica a partir de fuentes renovables como la eólica y la solar.

"Las baterías orgánicas acuosas de flujo redox prometen reducir significativamente los costos de almacenamiento de electricidad de fuentes de energía intermitentes, pero la inestabilidad de las moléculas orgánicas ha dificultado su comercialización", dijo Michael Aziz, profesor de Tecnologías de Materiales y Energía de Gene y Tracy Sykes en SEAS. . "Ahora, tenemos una solución verdaderamente práctica para extender la vida útil de estas moléculas, lo que es un gran paso para hacer que estas baterías sean competitivas".

La investigación se publica en Nature Chemistry .

Durante la última década, Aziz y Roy Gordon, profesor de química y profesor de ciencia de materiales Thomas Dudley Cabot, han colaborado para desarrollar baterías orgánicas de flujo acuoso utilizando moléculas conocidas como antraquinonas, que están compuestas de elementos naturalmente abundantes como carbono, hidrógeno, y 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 oxígeno del aire y se convierte de nuevo en la molécula de antraquinona original, como si regresara de entre los muertos, de ahí el apodo.

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 colaboraron con químicos de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido para comprender mejor cómo se descomponen las moléculas e inventaron un método eléctrico para revertir el proceso.

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

"Por lo general, al utilizar otros tipos de baterías, desea evitar agotar la batería por completo porque tiende a degradar sus componentes", dijo Yan Jing, becario postdoctoral en Harvard y coautor principal del artículo. "Pero hemos descubierto que esta descarga extrema, hasta la inversión real de la polaridad, puede recomponer estas moléculas, lo cual fue una sorpresa".

El proceso funciona un poco como un marcapasos, proporcionando periódicamente una descarga al sistema que revive las moléculas descompuestas.

En este artículo, los investigadores demostraron una vida útil neta 17 veces mayor que la investigación anterior. En investigaciones posteriores, que refinaron el proceso, los investigadores demostraron un aumento aún mayor en la vida útil, hasta 260 veces más, lo que lleva a una tasa de pérdida inferior al 10 % por año. Esa investigación aún no se ha publicado.

"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.

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y ha otorgado la licencia de la tecnología y otras patentes relacionadas con las baterías de flujo de quinona a Quino Energy, una empresa nueva que persigue su desarrollo comercial.

El equipo de investigación también demostró que este enfoque funciona para una variedad de moléculas orgánicas y para una variedad de procesos de descarga profunda, con y sin inversión de polaridad. A continuación, el equipo tiene como objetivo explorar cuánto más pueden extender la vida útil de DHAQ y otras antraquinonas económicas que se han utilizado en estos sistemas.

"Se puede esperar que las baterías de flujo sean la próxima ola en tecnología de almacenamiento más allá del litio, en particular las baterías con electrolitos orgánicos", dijo Imre Gyuk, director del programa de almacenamiento de electricidad de la Oficina del Departamento de Energía. "Este trabajo permite el control del proceso de descomposición, lo que amplía en gran medida la vida útil y permite aplicaciones para el almacenamiento de energía de mediana y larga duración".

Los coautores de la investigación fueron Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray y Roy G. Gordon. + Explora más

La nueva batería de flujo orgánico devuelve la vida a las moléculas en descomposición