Una técnica basada en los principios de la resonancia magnética ha permitido a los investigadores observar no solo cómo funcionan las baterías de próxima generación para el almacenamiento de energía a gran escala, pero también cómo fallan, que ayudará en el desarrollo de estrategias para extender la vida útil de las baterías en apoyo de la transición hacia un futuro sin emisiones de carbono.

Las nuevas herramientas desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge, ayudará a los científicos a diseñar sistemas de baterías más eficientes y seguros para el almacenamiento de energía a escala de red. Además, la técnica se puede aplicar a otros tipos de baterías y celdas electroquímicas para desenredar los complejos mecanismos de reacción que ocurren en estos sistemas, y para detectar y diagnosticar averías.

Los investigadores probaron sus técnicas en baterías orgánicas de flujo redox, candidatos prometedores para almacenar suficiente energía renovable para alimentar pueblos y ciudades, pero que se degradan demasiado rápido para aplicaciones comerciales. Los investigadores encontraron que al cargar las baterías a un voltaje más bajo, pudieron reducir significativamente la tasa de degradación, alargando la vida útil de las baterías. Los resultados se informan en la revista. Naturaleza .

Las baterías son una pieza vital de la transición de las fuentes de energía basadas en combustibles fósiles. Sin baterías capaces de almacenamiento a escala de red, será imposible impulsar la economía utilizando únicamente energía renovable. Y baterías de iones de litio, si bien es adecuado para la electrónica de consumo, no escale fácilmente a un tamaño suficiente para almacenar suficiente energía para alimentar una ciudad entera, por ejemplo. Los materiales inflamables en las baterías de iones de litio también presentan peligros potenciales para la seguridad. Cuanto más grande es la batería, mayor daño potencial podría causar si se incendia.

Las baterías de flujo redox son una posible solución a este rompecabezas tecnológico. Constan de dos tanques de electrolito líquido, uno positivo y otro negativo, y se puede ampliar simplemente aumentando el tamaño de los tanques, haciéndolos muy adecuados para el almacenamiento de energía renovable. Estos del tamaño de una habitación, o incluso del tamaño de un edificio, Las baterías no inflamables pueden desempeñar un papel clave en las futuras redes de energía verde.

Actualmente, varias empresas están desarrollando baterías de flujo redox para aplicaciones comerciales, la mayoría de los cuales utilizan vanadio como electrolito. Sin embargo, el vanadio es caro y tóxico, por lo que los investigadores de baterías están trabajando para desarrollar una batería de flujo redox basada en materiales orgánicos que sean más baratos y sostenibles. Sin embargo, estas moléculas tienden a degradarse rápidamente.

"Dado que las moléculas orgánicas tienden a descomponerse rápidamente, significa que la mayoría de las baterías que las usan como electrolitos no durarán mucho, haciéndolos inadecuados para aplicaciones comerciales, "dijo el Dr. Evan Wenbo Zhao del Departamento de Química de Cambridge, y el primer autor del artículo. "Si bien sabemos esto desde hace un tiempo, lo que no siempre hemos entendido es por qué sucede esto ".

Ahora, Zhao y sus colegas del grupo de investigación de la profesora Clare Grey en Cambridge, junto con colaboradores del Reino Unido, Suecia y España, han desarrollado dos nuevas técnicas para observar el interior de las baterías orgánicas de flujo redox con el fin de comprender por qué el electrolito se descompone y mejorar su rendimiento.

Utilizando estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) 'en tiempo real', una especie de 'resonancia magnética para baterías' funcional, y métodos desarrollados por el grupo del profesor Grey, los investigadores pudieron leer las señales de resonancia de las moléculas orgánicas, tanto en sus estados originales como cuando se degradaron en otras moléculas. Estos estudios de RMN 'operando' de la degradación y autodescarga en baterías de flujo redox proporcionan información sobre los mecanismos internos subyacentes de las reacciones, tales como formación de radicales y transferencias de electrones entre las diferentes especies activas redox en las soluciones.

"Hay pocos estudios mecanicistas in situ de baterías orgánicas de flujo redox, sistemas que actualmente están limitados por problemas de degradación, ", dijo Gray." Necesitamos entender cómo funcionan estos sistemas y también cómo fallan si vamos a progresar en este campo ".

Los investigadores encontraron que bajo ciertas condiciones, las moléculas orgánicas tendían a degradarse más rápidamente. "Si cambiamos las condiciones de carga cargando a un voltaje más bajo, el electrolito dura más, ", dijo Zhao." También podemos cambiar la estructura de las moléculas orgánicas para que se degraden más lentamente. Ahora entendemos mejor por qué son importantes las condiciones de carga y las estructuras moleculares ".

Los investigadores ahora quieren aplicar su configuración de RMN en otros tipos de baterías orgánicas de flujo redox, así como en otros tipos de baterías de próxima generación, como las baterías de litio-aire.

"Estamos entusiasmados con la amplia gama de aplicaciones potenciales de este método para monitorear una variedad de sistemas electroquímicos mientras están en funcionamiento, "dijo Gray.

Por ejemplo, La técnica de RMN se utilizará para desarrollar un dispositivo portátil de "comprobación de estado" de batería para diagnosticar su estado.

"Con un dispositivo de este tipo, Podría ser posible verificar el estado del electrolito en una batería de flujo redox orgánico en funcionamiento y reemplazarla si es necesario, ", dijo Zhao." Dado que el electrolito de estas baterías es económico y no tóxico, este sería un proceso relativamente sencillo, prolongando la vida útil de estas baterías ".