В батареях этого типа, называемых неводными окислительно-восстановительными потоками, энергия накапливается в отрицательно и положительно заряженных растворах внутри больших резервуаров.Молекулярный состав находящихся под напряжением растворов в резервуарах играет важную роль в том, сколько энергии может производить батарея, и это исследование было сосредоточено на разработке идеальной молекулы для растворения в положительно заряженном резервуаре. Чтобы максимизировать эффективность, исследователи должны были структурировать молекулу, чтобы удерживать как можно больше энергии, но при этом быть достаточно стабильной, чтобы ограничить избыточные реакции.«Мы хотим, чтобы стабильность молекул была высокой, чтобы батарея не вышла из строя преждевременно, но мы также хотим, чтобы она была способна удерживать много энергии.
Эти двое расходятся», — сказал Цзинцзин Чжан, участвовавший в исследовании постдок. в исследовании.Обратимость молекулы или ее способность многократно заряжаться и разряжаться — это то самое свойство, которое позволяет проточным батареям функционировать.
Во время зарядки молекулы, хранящиеся в положительно заряженном резервуаре, теряют электроны в результате процесса, называемого окислением. Проблема возникает, когда эти теперь нестабильные, положительно заряженные молекулы начинают реагировать со своим окружением, истощая заряд, который в противном случае сохранялся бы в резервуаре и использовался для энергии.«Когда она теряет электрон, молекула имеет естественную тенденцию находить другой электрон для полной пары, и если они образуют связь, это означает, что она больше не может производить электричество», — сказал Лу Чжан, ведущий ученый в команде. .Исследователи этого проекта смогли остановить обычную побочную реакцию всасывания энергии, используя процесс, называемый бициклическим замещением, который защищает наиболее реактивные части атомного каркаса молекулы, что-то вроде использования изоляции для покрытия оголенных проводов.Само по себе бициклическое замещение не ново, но это исследование было первым, которое применило его к материалам батарей.
Раньше ученые-разработчики батарей использовали более громоздкие защитные атомные цепочки для повышения стабильности. Однако эти экраны имели тенденцию задушить аккумулятор; только половина реактивных молекулярных областей могла быть покрыта без исключения способности молекулы вообще отдавать энергию.«С бициклическим замещением мы наконец нашли способ защитить все реактивные положения молекулы без потери ее обратимости, и мы смогли добиться от этого очень хороших характеристик», — сказал Лу Чжан.Исследователи обнаружили, что батарея потеряла лишь минимальную емкость после 150 циклов зарядки и разрядки батареи, что доказывает высокую стабильность молекулы.
«Бициклическое замещение позволяет нам избежать компромисса между стабильностью и обратимостью», — сказал Цзинцзин Чжан. «Максимизация этих двух свойств является ключевым моментом в разработке более эффективных батарей для питания целых зданий и даже более крупных систем в будущем».