Химики из Университета Юты и Мичигана, участвующие в Объединенном центре исследований накопителей энергии Министерства энергетики США, предсказывают лучшее будущее для типа батарей для хранения в сети, называемых проточными окислительно-восстановительными батареями. Используя прогнозную модель молекул и их свойств, команда разработала молекулу с хранением заряда, которая примерно в 1000 раз более стабильна, чем существующие соединения. Их результаты опубликованы сегодня в Журнале Американского химического общества.«Наше первое соединение имело период полураспада примерно от восьми до 12 часов», — говорит химик Мэтью Сигман, имея в виду период времени, в течение которого половина соединения разложится. «Соединение, которое мы предсказали, было стабильным порядка месяцев».
Не обычная батареяДля типичного потребителя солнечных панелей в жилых домах электричество необходимо использовать в том виде, в котором оно произведено, продавать обратно в электрическую сеть или хранить в батареях.
Свинцовые аккумуляторы глубокого цикла или литий-ионные аккумуляторы уже представлены на рынке, но каждый тип представляет проблемы для использования в сети.Все батареи содержат химические вещества, которые накапливают и высвобождают электрический заряд. Однако проточные окислительно-восстановительные батареи не похожи на аккумуляторы в автомобилях или сотовых телефонах.
В батареях с окислительно-восстановительным потоком вместо этого используются два резервуара для хранения энергии, разделенных центральным набором инертных электродов. В резервуарах содержатся растворы, содержащие молекулы или заряженные атомы, называемые анолитами и католитами, которые накапливают и высвобождают заряд, когда раствор «течет» мимо электродов, в зависимости от того, подается ли электричество на батарею или извлекается из нее.
«Если вы хотите увеличить емкость, вы просто помещаете больше материала в резервуары, и он проходит через ту же ячейку», — говорит химик из Мичиганского университета Мелани Сэнфорд. «Если вы хотите увеличить скорость заряда или разряда, вы увеличиваете количество ячеек».В современных проточных окислительно-восстановительных батареях используются растворы, содержащие ванадий, дорогостоящий материал, требующий повышенной безопасности при обращении из-за его потенциальной токсичности.
Составление батарей — это химический баланс, поскольку молекулы, которые могут хранить больше заряда, имеют тенденцию быть менее стабильными, теряют заряд и быстро разлагаются.Молекулярные бамперные автомобилиСэнфорд начал сотрудничать с Sigman and U, электрохимиком Шелли Минтир через Объединенный центр исследований в области накопления энергии (JCESR) Министерства энергетики США, центр энергетических инноваций, посвященный созданию аккумуляторных технологий следующего поколения. Лаборатория Сэнфорда разработала и протестировала потенциальные молекулы электролита и стремилась использовать технологии прогнозирования, чтобы помочь разработать более качественные составы аккумуляторных батарей.
Минтир внес свой вклад в электрохимию, а Сигман применил вычислительный метод, который использует структурные особенности молекулы для предсказания ее свойств. Подобный подход широко используется при разработке лекарств для прогнозирования свойств лекарств-кандидатов. Работа группы обнаружила, что соединение-кандидат разлагается, когда две молекулы взаимодействуют друг с другом. «Эти молекулы не могут разложиться, если они не могут собраться вместе», — говорит Сэнфорд. «Вы можете настроить молекулы, чтобы они не собирались вместе».
Настройка ключевого параметра этих молекул, фактора, описывающего высоту молекулярного компонента, по существу помещала бампер или дефлекторный экран вокруг молекулы-кандидата.Самый интересный анолит, описанный в статье, основан на органической молекуле пиридиния. Он не содержит металлов и предназначен для растворения в органическом растворителе, что дополнительно увеличивает его стабильность. Другие соединения демонстрируют более длительный период полураспада, но этот анолит обеспечивает наилучшее сочетание стабильности и окислительно-восстановительного потенциала, который напрямую зависит от того, сколько энергии он может хранить.
Обмен навыками для создания батарейСигман, Минтир и Сэнфорд сейчас работают над поиском католита, который будет сочетаться с этой и будущими молекулами. В разработке новой технологии проточных окислительно-восстановительных батарей впереди и другие вехи инженерного искусства, но определение основы для улучшения компонентов батарей является ключевым первым шагом.
«Это сложная задача, но вы ничего не сможете сделать, если у вас нет стабильных молекул с низким окислительно-восстановительным потенциалом», — говорит Сэнфорд. «Вам нужно работать оттуда». Команда объясняет свой успех до сих пор применением этого набора инструментов взаимосвязи между структурой и функцией, обычно используемого в фармацевтической промышленности, для проектирования батарей. «Мы предлагаем инструменты химиков в области, которая традиционно была прерогативой инженеров», — говорит Сэнфорд.