KIER inovează bateria Viologen Redox Flow pentru a înlocui vanadiul

A fost dezvoltată o tehnologie pentru a înlocui materialul activ din bateriile cu flux redox de mare capacitate cu un material mai scump.

^{*Bateria cu flux Redox: un termen combinat de reducere, oxidare și debit. Este o baterie care stochează energia electrică ca energie chimică prin reacții de oxidare și reducere a materialelor active din electrolitul de pe suprafața electrodului și o transformă din nou în energie electrică atunci când este necesar. Este capabil de stocare pe scară largă, poate fi utilizat pe termen lung prin înlocuirea periodică a electrolitului, iar principalul său avantaj este că nu există pericol de incendiu.}

Echipa de cercetare a Dr. Sunghae Hwang de la Departamentul de Cercetare în Stocarea Energiei la Institutul de Cercetare Energetică din Coreea Cercetătorii au îmbunătățit cu succes performanța și durata de viață a bateriilor cu flux redox, un dispozitiv proeminent de stocare a energiei de mare capacitate, prin introducerea de grupuri funcționale* care înlocuiesc materialele active și îmbunătățesc solubilitatea și stabilitatea.

^{*Grup funcțional: Un grup de atomi dintr-un compus organic care determină proprietățile compusului și joacă un rol în determinarea proprietăților acestuia.}

Pentru a extinde utilizarea energiilor regenerabile, cum ar fi energia solară și eoliană, este nevoie de un sistem de stocare a energiei pe termen lung care să poată stoca electricitatea generată în condiții meteorologice favorabile pentru mai mult de 8 ore și să o refolosească atunci când este necesar. Printre aceste baterii se numără bateriile cu flux oxidativ, care au un risc de incendiu mai mic și un ciclu de viață mai lung de peste 20 de ani, comparativ cu bateriile litiu-ion utilizate în mod obișnuit, care sunt cercetate activ la nivel global. Republica Coreea se concentrează, de asemenea, pe dezvoltarea* de tehnologii cu costuri reduse și foarte eficiente, pentru o adoptare pe scară largă până în 2030.

^{*Strategia de dezvoltare a industriei de stocare a energiei (octombrie 2023), Ministerul Comerțului, Industriei și Energiei}

Deși vanadiul este comercializat în prezent ca material activ în bateriile cu flux redox, rezervele sale limitate au stimulat cercetările recente privind alternative. Compușii organici, cum ar fi viologenii, obținuți din elemente naturale, cum ar fi carbonul și oxigenul, sunt deosebit de remarcabili pentru accesibilitatea și potențialul lor de a înlocui vanadiul. Cu toate acestea, viologenii au dezavantajul solubilității scăzute, care reduce densitatea totală a energiei, și instabilitatea la încărcarea și descărcarea repetată, necesitând dezvoltarea tehnologiilor pentru a depăși aceste probleme.

Pentru a aborda aceste probleme, cercetătorii au introdus grupuri funcționale în fenogeni. Aceste grupuri funcționale se încadrează în filogeni ca blocuri de agregare, sporind solubilitatea și stabilitatea acestora.

Pentru a crește solubilitatea viologenilor, cercetătorii au introdus grupări funcționale sulfonate și estere, care au proprietăți hidrofile. Aceste două grupe funcționale generează forțe de atracție intermoleculare prin interacțiuni cu moleculele de apă (electroliți) de pe suprafața viologenilor, ceea ce facilitează difuzia viologenilor în apă.

Viorile sunt compuse din două straturi moleculare. Sunt compuse din două straturi moleculare. În timpul încărcării, aceste straturi se combină în mod repetat, transformându-se într-o structură care nu poate stoca energie. Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii au introdus grupuri funcționale alfa-metil care acționează ca obstacole. Aceste grupe funcționale perturbă structura stratului și generează repulsie intermoleculară, suprimând reacțiile secundare și sporind astfel eficiența și stabilitatea stocării de energie.

Ca urmare a aplicării materialului activ dezvoltat de cercetători la bateriile cu flux redox, s-a confirmat că densitatea de energie a fost îmbunătățită cu mai mult de două ori față de bateriile cu flux redox din vanadiu. În plus, după 200 de cicluri de încărcare și descărcare, bateriile au prezentat o eficiență Coulombic de 99,4% (capacitate de descărcare în raport cu capacitatea de încărcare) și menținerea capacității de 92,4%, indicând performanță și stabilitate îmbunătățite.

„Ca răspuns la schimbările climatice și la extinderea utilizării energiei regenerabile, este necesar să se faciliteze stocarea energiei prin dezvoltarea de baterii cu flux redox care sunt competitive în ceea ce privește prețul și durata de viață lungă”, a spus dr. Sunghae Hwang, primul autor al lucrării care conține constatările cercetării. „Această cercetare permite proiectarea de materiale eficiente care ating accesibilitatea și longevitatea, contribuind la comercializarea timpurie a bateriilor cu flux redox”, a adăugat ea.

Rezultatele cercetării au fost publicate în prestigioasa jurnală de știință a materialelor ACS Applied Materials and Interfaces (IF 9.5), iar studiul a fost realizat cu sprijinul KIER.