ماده کم‌هزینه چگالی انرژی باتری جریان ردوکس را بدون استفاده از وانادیوم دو برابر می‌کند
پژوهشگران در دپارتمان تحقیقات ذخیره‌سازی انرژی در موسسه تحقیقات انرژی کره، جایگزینی برای وانادیوم، یکی از ترکیبات مهم باتری‌های جریان ردوکس که موضوع تحقیقات جهانی است، پیدا کرده‌اند.
مطالعه‌ای نشان داد که وانادیومی که از زمین استخراج می‌شود می‌تواند با مولکول‌های به راحتی در دسترس ساخته شده از کربن و اکسیژن جایگزین شود.
فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد و خورشید تنها در صورتی می‌تواند در مقیاس‌های بزرگ پذیرفته شود که یک راه‌حل ذخیره‌سازی انرژی مناسب وجود داشته باشد. این راه‌حل ذخیره‌سازی می‌تواند به غلبه بر طبیعت متناوب تولید انرژی این فناوری کمک کرده و در مواقع نیاز برق تامین کند، حتی اگر خورشید نتابد یا باد نوزد.
یک راه‌حل ذخیره‌سازی انرژی قابل اطمینان باید قادر باشد بار را برای بیش از هشت ساعت نگه دارد و در صورت افزایش تقاضا به راحتی تحویل بدهد. باتری‌های جریان ردوکس در این حوزه بسیار ترجیح داده می‌شوند.
چرا باتری‌های جریان ردوکس این‌قدر خوب هستند؟
باتری‌های جریان ردوکس سلول‌های الکتریکی هستند که انرژی را در الکترولیت به جای الکترود، مانند باتری‌های لیتیوم-یونی، ذخیره می‌کنند.
باتری‌های جریان ردوکس بهتر از باتری‌های لیتیوم-یونی هستند زیرا می‌توانند طراحی انعطاف‌پذیر داشته باشند و به طور چشمگیری خطر آتش‌سوزی را کاهش دهند. خروجی توان باتری به راحتی با افزایش اندازه استک قابل افزایش است.
عدم وجود تغییرات فاز جامد-جامد ضمانت می‌کند که باتری عمر طولانی‌تری داشته و حتی پس از دو دهه عملکرد بهتری را ارایه می‌دهد.
تنها نقطه ضعف باتری‌های جریان ردوکس این است که از وانادیوم استفاده می‌کنند، که اگرچه یک ماده نادر زمین نیست، اما در فرآیندهای تجاری استفاده شده و دارای ذخایر محدودی است. به منظور جلوگیری از سرنوشت مشابه لیتیوم، پژوهشگران به دنبال جایگزین‌های فراوان‌تر برای وانادیوم هستند و آنها را در ویولوژن‌ها یافته‌اند.
چگونه ویولوژن‌ها مفید هستند؟
ویولوژن‌ها ترکیبات آلی ساخته شده از عناصر به فراوانی موجود، مانند کربن و اکسیژن هستند که نیازی به استخراج ندارند. پژوهش‌های قبلی در زمینه استفاده از ویولوژن‌ها به عنوان جایگزینی برای وانادیوم با چالش محلولیت کم در الکترولیت مواجه شده بودند.
محلولیت کم ویولوژن‌ها منجر به چگالی انرژی کمتر و ناپایداری در فرآیندهای شارژ و دشارژ باتری می‌شود. برای غلبه بر این موانع، پژوهشگران گروه‌های عملکردی به ویولوژن‌ها معرفی کردند که مانند بلوک‌های ساختنی در این مولکول‌های آلی جای می‌گیرند و ثبات آنها را بهبود می‌بخشند.
تیم تحقیقاتی از گروه‌های عملکردی سولفونات و استر، که دوستان آب هستند، استفاده کرد و باعث شد پراکندگی آنها در الکترولیت آسان‌تر شود.
افزودن گروه‌های عملکردی مشکل دیگری را نیز با استفاده از ویولوژن‌ها حل کرد. شکل مولکولی ویولوژن‌ها شبیه به ساندویچ است و گاهی دو لایه ویولوژن ترکیب می‌شوند و برای نگه‌داری انرژی مناسب نیستند.
پژوهشگران گروه‌های عملکردی آلفا-متیل به ویولوژن‌ها افزودند که از ترکیب دو ویولوژن‌ها پیشگیری می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که همیشه در دسترس برای ذخیره‌سازی انرژی هستند. نتیجه نهایی افزودن این گروه‌های عملکردی این بود که پژوهشگران چگالی انرژی دو برابر بیشتر از یک باتری جریان ساخته شده با وانادیوم را به دست آوردند.
پس از 200 چرخه شارژ-دشارژ، پژوهشگران دریافتند که باتری جدید آنها بازده کولمبی 99.4 درصد و نگه‌داری ظرفیت 92.4 درصد را نشان می‌دهد که هر دو نشانه‌ای از عملکرد بهتر و پایداری هستند.
نتایج تحقیق در مجله ACS Applied Materials and Interfaces . منتشر شد.
