Después de años de progresar en una batería de flujo acuoso orgánico, Los investigadores de la Universidad de Harvard se encontraron con un problema:las moléculas orgánicas de antraquinona que alimentaban su innovadora batería se descomponían lentamente con el tiempo, reduciendo la utilidad a largo plazo de la batería.

Ahora, los investigadores, dirigidos por Michael Aziz, el Profesor Gene y Tracy Sykes de Materiales y Tecnologías Energéticas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson y Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot, profesor de química y profesor de ciencia de materiales, han descubierto no solo cómo se descomponen las moléculas, sino también cómo mitigar e incluso revertir la descomposición.

La molécula que desafía a la muerte, llamado DHAQ en su artículo, pero apodado la "quinona zombie" en el laboratorio, es uno de los más baratos de producir a gran escala. El método de rejuvenecimiento del equipo reduce la tasa de desvanecimiento de la capacidad de la batería al menos en un factor de 40, al mismo tiempo que permite que la batería esté compuesta completamente de productos químicos de bajo costo.

La investigación fue publicada en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"El bajo costo de producción en masa es realmente importante si las baterías de flujo orgánico van a lograr una amplia penetración en el mercado, "dijo Aziz." Entonces, si podemos utilizar estas técnicas para extender la vida útil del DHAQ a décadas, entonces tenemos una química ganadora ".

"Este es un gran paso adelante para permitirnos reemplazar los combustibles fósiles con electricidad renovable intermitente, "dijo Gordon.

Desde 2014, Aziz, Gordon y su equipo han sido pioneros en el desarrollo de baterías orgánicas de flujo acuoso seguras y rentables para almacenar electricidad de fuentes renovables intermitentes como la eólica y la solar y entregarla cuando el viento no sopla y el sol no brilla. Sus baterías utilizan moléculas conocidas como antraquinonas, que se componen de elementos naturalmente abundantes como el carbono, hidrógeno, y oxigeno, para almacenar y liberar energía.

En primer lugar, los investigadores pensaron que la vida útil de las moléculas dependía de cuántas veces se cargaba y descargaba la batería, como en las baterías de electrodos sólidos como las de iones de litio. Sin embargo, en conciliar resultados inconsistentes, los investigadores descubrieron que estas antraquinonas se descomponen lentamente con el paso del tiempo, independientemente de cuántas veces se haya usado la batería. Descubrieron que la cantidad de descomposición se basaba en la edad calendario de las moléculas, no con qué frecuencia los han cargado y descargado.

Ese descubrimiento llevó a los investigadores a estudiar los mecanismos por los que las moléculas se descomponían.

"Descubrimos que estas moléculas de antraquinona, que tienen dos átomos de oxígeno integrados en un anillo de carbono, tienen una ligera tendencia a perder uno de sus átomos de oxígeno cuando están cargados, convirtiéndose en una molécula diferente, "dijo Gordon." Una vez que eso suceda, comienza con una reacción en cadena de eventos que conduce a una pérdida irreversible del material de almacenamiento de energía ".

Los investigadores encontraron dos técnicas para evitar esa reacción en cadena. El primero:exponer la molécula al oxígeno. 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. Un solo experimento recuperó el 70 por ciento de la capacidad perdida de esta manera.

Segundo, el equipo descubrió que sobrecargar la batería crea condiciones que aceleran la descomposición. Evitar la sobrecarga prolonga la vida útil en un factor de 40.

"En el trabajo futuro, Necesitamos determinar en qué medida la combinación de estos enfoques puede extender la vida útil de la batería si los diseñamos correctamente. "dijo Aziz.

"Es probable que los mecanismos de descomposición y renacimiento sean relevantes para todas las antraquinonas, y las antraquinonas han sido las moléculas orgánicas mejor reconocidas y más prometedoras para las baterías de flujo, "dijo Gordon.

"Este importante trabajo representa un avance significativo hacia el bajo costo, baterías de flujo de larga duración, "dijo Imre Gyuk, Director del programa Oficina de Almacenamiento de Electricidad del Departamento de Energía. "Estos dispositivos son necesarios para permitir que la red eléctrica absorba cantidades crecientes de generación renovable verde pero variable".