Après des années de progrès sur une batterie à flux aqueux organique, Des chercheurs de l'Université de Harvard se sont heurtés à un problème :les molécules d'anthraquinone organiques qui alimentaient leur batterie révolutionnaire se décomposaient lentement au fil du temps, réduisant l'utilité à long terme de la batterie.

Maintenant, les chercheurs, dirigés par Michael Aziz, le professeur Gene et Tracy Sykes des technologies des matériaux et de l'énergie à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et Roy Gordon, le professeur de chimie Thomas Dudley Cabot et professeur de science des matériaux - ont compris non seulement comment les molécules se décomposent, mais aussi comment atténuer et même inverser la décomposition.

La molécule défiant la mort, nommé DHAQ dans leur article mais surnommé le "zombie quinone" dans le laboratoire, est parmi les moins chères à produire à grande échelle. La méthode de rajeunissement de l'équipe réduit le taux d'évanouissement de la capacité de la batterie d'au moins un facteur 40, tout en permettant à la batterie d'être entièrement composée de produits chimiques à faible coût.

La recherche a été publiée dans le Journal de l'American Chemical Society .

« Un faible coût de production en série est vraiment important si les batteries à flux organique vont gagner une large pénétration du marché, " dit Aziz. " Alors, si nous pouvons utiliser ces techniques pour étendre la durée de vie du DHAQ à des décennies, alors nous avons une alchimie gagnante."

« C'est une avancée majeure pour nous permettre de remplacer les énergies fossiles par de l'électricité renouvelable intermittente, " dit Gordon.

Depuis 2014, Aziz, Gordon et son équipe ont été les pionniers du développement de batteries à flux aqueux organiques sûres et économiques pour stocker l'électricité à partir de sources renouvelables intermittentes comme le vent et le solaire et la fournir lorsque le vent ne souffle pas et que le soleil ne brille pas. Leurs batteries utilisent des molécules appelées anthraquinones, qui sont composés d'éléments naturellement abondants tels que le carbone, hydrogène, et de l'oxygène, pour stocker et libérer de l'énergie.

En premier, les chercheurs pensaient que la durée de vie des molécules dépendait du nombre de fois où la batterie était chargée et déchargée, comme dans les batteries à électrodes solides telles que le lithium-ion. Cependant, en conciliant des résultats incohérents, les chercheurs ont découvert que ces anthraquinones se décomposent lentement au cours du temps, quel que soit le nombre de fois où la batterie a été utilisée. Ils ont découvert que la quantité de décomposition était basée sur l'âge calendaire des molécules, pas combien de fois ils ont été inculpés et déchargés.

Cette découverte a conduit les chercheurs à étudier les mécanismes par lesquels les molécules se décomposaient.

"Nous avons découvert que ces molécules d'anthraquinone, qui ont deux atomes d'oxygène intégrés dans un cycle de carbone, ont une légère tendance à perdre un de leurs atomes d'oxygène lorsqu'ils sont chargés, devenir une molécule différente, " dit Gordon. " Une fois que cela arrive, cela commence par une réaction en chaîne d'événements qui conduit à une perte irréversible de matériau de stockage d'énergie."

Les chercheurs ont trouvé deux techniques pour éviter cette réaction en chaîne. La première :exposer la molécule à l'oxygène. L'équipe a découvert que si la molécule est exposée à l'air juste à la bonne partie de son cycle de charge-décharge, il capte l'oxygène de l'air et redevient la molécule d'anthraquinone d'origine, comme s'il revenait d'entre les morts. Une seule expérience a récupéré 70 pour cent de la capacité perdue de cette façon.

Seconde, l'équipe a découvert que la surcharge de la batterie crée des conditions qui accélèrent la décomposition. Éviter la surcharge prolonge la durée de vie d'un facteur 40.

« Dans les travaux futurs, nous devons déterminer dans quelle mesure la combinaison de ces approches peut prolonger la durée de vie de la batterie si nous les concevons correctement, " dit Aziz.

"Les mécanismes de décomposition et de renaissance sont susceptibles d'être pertinents pour toutes les anthraquinones, et les anthraquinones ont été les molécules organiques les plus reconnues et les plus prometteuses pour les batteries à flux, " dit Gordon.

« Ce travail important représente une avancée significative vers le low-cost, batteries à flux longue durée, " a déclaré Imre Gyuk, Directeur du programme Office of Electricity Storage du ministère de l'Énergie. "De tels dispositifs sont nécessaires pour permettre au réseau électrique d'absorber des quantités croissantes de production renouvelable verte mais variable."