Соединение, широко используемое в свечах, обещает решить гораздо более современную энергетическую проблему - хранение огромного количества энергии для подачи в электрическую сеть по мере необходимости.
Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США показали, что недорогие органические соединения перспективны для хранения энергии сети. Обычный флуоренон, ярко-желтый порошок, поначалу неохотно участвовал в экспериментах, но при достаточном химическом воздействии оказался мощным партнером для хранения энергии в системах проточных батарей, больших системах, которые хранят энергию для сети.
Разработка такого хранилища имеет решающее значение. Например, когда сеть отключается из-за неблагоприятных погодных условий, в работу вступают разрабатываемые большие батареи, повышая устойчивость сети и сводя к минимуму ее сбои. Батареи также можно использовать для хранения возобновляемой энергии ветра и солнца, когда ветер стихает или солнце не светит.
Подробности исследования, проведенного при поддержке Министерства энергетики США, опубликованы в номере журнала Science от 21 мая.
«Технология проточных батарей является важной частью цели Министерства энергетики по снижению стоимости хранения энергии в сети в течение следующего десятилетия», - сказал Имре Гюк, директор по хранению энергии в Управлении электроэнергетики Министерства энергетики.«Прогресс был быстрым, и стоимость значительно снизилась, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы сделать хранение энергии в масштабе сети широко доступным».
Поточные батареи для энергосистемы: переход на органику
Ученые добились огромных успехов в создании более совершенных батарей, которые сохраняют больше энергии при меньших затратах и служат дольше, чем когда-либо прежде. Результаты затрагивают многие аспекты нашей жизни, включая более устойчивую электрическую сеть, более долговечные аккумуляторы для ноутбуков, большее количество электромобилей и более широкое использование возобновляемых источников энергии от ветра, яркого солнца или текущей воды.
Для сетевых аккумуляторов определение правильных материалов и их комбинирование для создания нового рецепта хранения энергии является важным шагом на пути к способности мира использовать и хранить возобновляемую энергию. В наиболее широко используемых сетевых батареях используется литий-ионная технология, но их сложно настроить от момента к моменту так, чтобы это было наиболее полезно для сети, и есть проблемы с безопасностью. Проточные окислительно-восстановительные батареи являются растущей альтернативой; однако в большинстве из них используется ванадий, который дорог, труднодоступен и подвержен колебаниям цен. Эти черты создают барьеры для повсеместного хранения энергии в масштабе сети.
Альтернативные материалы для проточных батарей включают органические молекулы, которые гораздо более доступны, более экологичны и менее дороги, чем ванадий. Но органика не соответствовала требованиям технологии проточных батарей, обычно выдыхаясь быстрее, чем требовалось. Важна долговременная стабильность молекул, поэтому они сохраняют свою способность проводить химические реакции в течение многих лет.
«Эти органические материалы сделаны из наиболее распространенных доступных материалов - углерода, водорода и кислорода», - сказал Вэй Ван, ученый PNNL, возглавляющий группу проточных батарей. «Они легко доступны; их не нужно добывать, как это делают такие вещества, как ванадий. Это делает их очень привлекательными для хранения энергии в масштабе сети."
В журнале Science команда Вана продемонстрировала, что недорогой органический флуоренон, как ни странно, является не только жизнеспособным кандидатом, но и выдающимся исполнителем, когда дело доходит до накопления энергии.
В лабораторных испытаниях, которые имитировали реальные условия, батарея PNNL непрерывно работала в течение 120 дней, прекращая работу только тогда, когда изнашивалось другое оборудование, не связанное с самой батареей. Аккумулятор прошел 1111 полных циклов зарядки и разрядки, что эквивалентно нескольким годам работы в нормальных условиях, и потерял менее 3% своей емкости. Другие проточные батареи на органической основе проработали гораздо меньше времени.
Проточная батарея, созданная командой, имеет площадь всего около 10 квадратных сантиметров, размером с большую почтовую марку, и выдает около 500 милливатт мощности, чего недостаточно даже для питания камеры мобильного телефона. Но крошечная структура воплощает в себе огромные перспективы: ее плотность энергии более чем в два раза выше, чем у используемых сегодня ванадиевых батарей, а ее химические компоненты недороги, долговечны и широко доступны.
Молекулярная инженерия превращает флуоренон в обратное дело
Разработка стала возможной благодаря команде ученых, в том числе первому автору Ruozhu Feng, техническому руководителю Xin Zhang и другим.
Ученые PNNL сыграли важную роль в разработке проточных батарей на основе ванадия, используемых сегодня. Несколько лет назад группа ученых обратила внимание на органические молекулы из-за их широкой доступности и низкой стоимости. В 2018 году Чжан присоединился к команде в рамках усилий по настройке материала для хранения энергии, привнеся глубокие знания о флуореноне из предыдущих исследований в области светодиодов.
Флуоренон также используется в солнечных батареях, в фармацевтических препаратах, таких как лекарства для лечения малярии, и в свечах, чтобы придать им приятный запах. Он недорог и легко доступен в виде отходов производства каменноугольной смолы и производства бензойной кислоты, обычной пищевой добавки.
Чжан сосредоточил свое внимание на флуореноне как на сердце проточной батареи на водной основе, но были препятствия. Во-первых, молекула недостаточно растворима в воде. И молекула не проявляла окислительно-восстановительной обратимости в водных растворах; то есть ученые не продемонстрировали, что он может легко как принимать, так и отдавать электроны, что является двумя дополнительными и обязательными шагами для проточной батареи.
Фэн создал серию сложных химических стадий - то, что Ван называет «молекулярной инженерией» - для превращения флуоренона в водорастворимое обратимое окислительно-восстановительное соединение. Одна часть процесса долгое время была легкой для флуоренона: получить электрон в процессе, известном как восстановление. Но Фэну потребовалось упорное химическое убеждение, чтобы вызвать другую половину процесса - окисление, потерю электрона - чтобы сделать процесс обратимым и пригодным для хранения энергии.
Неожиданно Фэн обнаружил, что способность флуоренона проводить обратимые реакции зависит от его концентрации - большее количество вещества, растворенного в воде, делает обратимость возможной. Ранее ученые не наблюдали такого явления с органическими молекулами.
«Это отличная демонстрация использования молекулярной инженерии для превращения материала из материала, который считается непригодным для использования, во что-то полезное для хранения энергии», - сказал Ван. «Это открывает важное новое химическое пространство, которое мы можем исследовать».
Команда также увеличила растворимость флуоренона в воде с почти 0 с нетронутым флуореноном до 1,5 моль на литр, в зависимости от модификации соединения. Растворимость в проточной батарее на водной основе жизненно важна; чем больше материал растворяется в воде, тем больше он доступен в качестве химического партнера при обмене электронами в сердце батареи.
PNNL поощряет коммерциализацию проточных окислительно-восстановительных батарей на основе флуоренона и в качестве первого шага подала заявку на патент на инновацию.
Работа над проточными батареями является частью большой программы PNNL по разработке и тестированию новых технологий для хранения энергии в масштабе сети. Ранее в этом году PNNL была выбрана в качестве площадки для стартовой площадки Grid Storage Launchpad, объекта, созданного Управлением электроэнергетики Министерства энергетики США для ускорения разработки и тестирования крупных сетевых батарей. Главная цель - увеличить использование легкодоступных материалов и снизить стоимость, сделав возможным хранение возобновляемой энергии в течение более длительного времени.
Помимо Фэна, Чжана и Вана, в число авторов входят ученые PNNL Виджаякумар Муругесан, Аарон Холлас, Ин Чен, Юян Шао, Эрик Уолтер, Надиша Веллала, Литао Ян и Кевин Россо. Несколько измерений с использованием масс-спектрометрии и ядерного магнитного резонанса были проведены в EMSL, Лаборатории молекулярных исследований окружающей среды, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США.