Una técnica basada en los principios de MRI ha permitido a los investigadores observar no solo cómo funcionan las baterías de próxima generación para el almacenamiento de energía a gran escala, sino también cómo fallan, lo que ayudará en el desarrollo de estrategias para extender la vida útil de las baterías en apoyode la transición a un futuro sin carbono.
Las nuevas herramientas, desarrolladas por investigadores de la Universidad de Cambridge, ayudarán a los científicos a diseñar sistemas de baterías más eficientes y seguros para el almacenamiento de energía a escala de red. Además, la técnica puede aplicarse a otros tipos de baterías y celdas electroquímicas para desenredarlos complejos mecanismos de reacción que ocurren en estos sistemas y para detectar y diagnosticar fallas.
Los investigadores probaron sus técnicas en baterías orgánicas de flujo redox, prometiendo candidatos para almacenar suficiente energía renovable para alimentar pueblos y ciudades, pero que se degradan demasiado rápido para aplicaciones comerciales. Los investigadores descubrieron que al cargar las baterías a un voltaje más bajo, erancapaz de reducir significativamente la velocidad de degradación, extendiendo la vida útil de las baterías. Los resultados se informan en la revista Naturaleza .
Las baterías son una parte vital de la transición lejos 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 son adecuadaspara 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 plantean riesgos potenciales de seguridad. Cuanto más grande sea la batería, mayor será el daño potencial.podría causar si se incendia.
Las baterías de flujo Redox son una posible solución a este rompecabezas tecnológico. Consisten en dos tanques de líquido electrolítico, uno positivo y otro negativo, y pueden ampliarse simplemente aumentando el tamaño de los tanques, lo que los hace muy adecuados para energía renovablealmacenamiento. Estas baterías no inflamables del tamaño de una habitación, o incluso del tamaño de un edificio, pueden desempeñar un papel clave en las futuras redes de energía verde.
Actualmente, varias compañías están desarrollando baterías de flujo redox para aplicaciones comerciales, la mayoría de las cuales utilizan vanadio como electrolito. Sin embargo, el vanadio es costoso 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 económicosmás sostenible. 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, lo que las hace inadecuadas para aplicaciones comerciales", dijo el Dr. Evan Wenbo Zhao, del Departamento de Química de Cambridge, y elprimer autor del artículo: "Si bien hemos sabido esto por 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 mirar dentro de las baterías orgánicas de flujo redox para comprender por qué el electrolito se descompone ymejorar su rendimiento
Utilizando estudios de 'resonancia magnética nuclear RMN' en tiempo real ', una especie de' resonancia magnética funcional para baterías 'y métodos desarrollados por el grupo del profesor Grey, los investigadores pudieron leer las señales de resonancia de las moléculas orgánicas, ambas en su originalestados y a medida que se degradaron en otras moléculas.Estos estudios de 'RMN' operando 'sobre la degradación y la autodescarga en baterías de flujo redox proporcionan información sobre los mecanismos internos subyacentes de las reacciones, como la formación de radicales y las transferencias de electrones entre los diferentes activos redoxespecies en las soluciones.
"Hay pocos estudios mecanicistas in situ de baterías de flujo redox orgánico, sistemas que actualmente están limitados por problemas de degradación", dijo Gray. "Necesitamos comprender cómo funcionan estos sistemas y también cómo fallan si vamos a hacerprogreso en este campo "
Los investigadores descubrieron que bajo ciertas condiciones, las moléculas orgánicas tienden a degradarse más rápidamente. "Si cambiamos las condiciones de carga al cargar a un voltaje más bajo, el electrolito dura más", dijo Zhao. "También podemos cambiar la estructura delas moléculas orgánicas para que se degraden más lentamente. Ahora entendemos mejor por qué importan 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 y aire.
"Estamos entusiasmados con la amplia gama de aplicaciones potenciales de este método para monitorear una variedad de sistemas electroquímicos mientras se están operando", dijo Gray.
Por ejemplo, la técnica de RMN se utilizará para desarrollar un dispositivo portátil de "comprobación de estado" de la batería para diagnosticar su estado.
"Utilizando dicho dispositivo, podría ser posible verificar el estado del electrolito en una batería de flujo redox orgánico en funcionamiento y reemplazarlo si es necesario", dijo Zhao. "Dado que el electrolito para estas baterías es económico y no es tóxico,este sería un proceso relativamente sencillo, prolongando la vida útil de estas baterías "
La investigación fue financiada en parte por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas EPSRC y Shell.
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