Baterie przepływowe Viologen redox alternatywą dla wanadu
Nowa technologia zastępowania aktywnego materiału w magazynach energii o dużej pojemności, przez baterie redoks, opłacalniejszą alternatywą.
Postęp może zrewolucjonizować sposób magazynowania energii odnawialnej. Dr Seunghae Hwang i jej zespół z Korea Institute of Energy Research znacznie poprawili wydajność i żywotność przepływowych baterii redoks poprzez włączenie grup funkcjonalnych, które zwiększają rozpuszczalność i stabilność materiałów aktywnych. Innowacja ma kluczowe znaczenie dla szerszego zastosowania odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, które wymagają długoterminowych rozwiązań w zakresie magazynowania energii w celu przechowywania nadmiaru energii elektrycznej wytworzonej w sprzyjających warunkach do wykorzystania w późniejszym czasie.
Odnawialne źródła energii są z natury zmienne; zależą od warunków pogodowych, co sprawia, że stałe dostawy energii są wyzwaniem. Dlatego też wydajne systemy magazynowania energii są niezbędne do przechowywania energii elektrycznej, gdy produkcja przekracza zapotrzebowanie i uwalniania jej, gdy produkcja jest niska. Baterie przepływowe redox są szczególnie obiecujące pod tym względem ze względu na ich długi cykl życia, wynoszący ponad 20 lat, oraz niższe ryzyko pożaru w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi. W rezultacie na całym świecie, w tym w Korei Południowej, podejmowane są wysiłki w celu opracowania opłacalnych i wysoce wydajnych technologii przepływowych akumulatorów redoks, które zostaną wdrożone na szeroką skalę do 2030 roku.
Obecnie podstawowym materiałem aktywnie stosowanym w komercyjnych przepływowych akumulatorach redoks jest wanad. Jednak ograniczona dostępność i wysoki koszt wanadu skłoniły do badań nad alternatywnymi materiałami. Związki organiczne, takie jak wiologeny, pochodzące z obficie występujących pierwiastków, takich jak węgiel i tlen, stanowią obiecujący substytut ze względu na niższy koszt.
Pomimo swojego potencjału, wiologeny napotykają wyzwania, takie jak niska rozpuszczalność i niestabilność podczas powtarzających się cykli ładowania-rozładowania, co ogranicza ich skuteczność. Rozwiązanie tych problemów ma kluczowe znaczenie dla uczynienia z wiologenów realnej alternatywy dla wanadu.
Aby przezwyciężyć ograniczenia wiologenów, zespół dr Hwanga wprowadził grupy funkcyjne, które poprawiają zarówno rozpuszczalność, jak i stabilność. Dodając grupy sulfonianowe i estrowe, które korzystnie oddziałują z wodą, naukowcy znacznie zwiększyli rozpuszczalność wiologenów. Te grupy funkcyjne tworzą siły przyciągania z cząsteczkami wody, wspomagając dyspersję wiologenów w roztworze elektrolitu.
Ponadto naukowcy zajęli się kwestią niestabilności strukturalnej. Wiologeny mają warstwową strukturę molekularną, która ma tendencję do łączenia się podczas ładowania, tracąc zdolność magazynowania energii. Poprzez włączenie grup alfa-metylowych, które tworzą skręt w warstwach molekularnych i indukują siły odpychające, zespół zapobiegł tym niepożądanym reakcjom, zwiększając w ten sposób stabilność i wydajność baterii.
Zastosowanie tych zmodyfikowanych wiologenów w przepływowych bateriach redoks przyniosło imponujące rezultaty. Gęstość energii akumulatorów była ponad dwukrotnie większa niż w przypadku tradycyjnych akumulatorów wanadowych. Co więcej, po 200 cyklach ładowania i rozładowywania, akumulatory zachowały sprawność kulombowską na poziomie 99,4% i pojemność 92,4%, co wskazuje na bardzo wysoką wydajność i stabilność.
Dr Hwang, główny autor badań, podkreślił znaczenie tego rozwoju w kontekście zmian klimatycznych i ekspansji energii odnawialnej. „Aby przeciwdziałać zmianom klimatycznym i promować wykorzystanie energii odnawialnej, niezbędne jest opracowanie przepływowych baterii redoks, które są zarówno opłacalne, jak i trwałe” – stwierdziła. Badania te kładą podwaliny pod projektowanie aktywnych materiałów, które spełniają zarówno kryteria przystępności cenowej, jak i trwałości, przyspieszając w ten sposób komercjalizację przepływowych akumulatorów redoks.
Postępy w dziedzinie viologenowych przepływowych baterii redoks stanowią znaczący krok naprzód w technologii magazynowania energii. Zajmując się kluczowymi kwestiami rozpuszczalności i stabilności, badania te stanowią obiecującą alternatywę dla systemów opartych na wanadzie, torując drogę dla bardziej zrównoważonych i ekonomicznych rozwiązań w zakresie magazynowania energii.
Szymon Ślubowski
