Флуорисценция разкрива здравето на редокс батериите

Наблюдението на състоянието на поточните батерии в реално време е предизвикателство за учените. Сега група изследователи смятат, че са намерили решението, като се проектирали специална флуоресцентна молекула.

Все повече изследвания се правят в последно време на т. нар. „редокс“ батерии (базирани на процес на окисление и редукция). Те се разглеждат потенциално решение за съхранение на енергия в електрическата мрежа. Но въпросните батерии си остават като черна кутия, когато става въпрос за диагностика на производителността. В САЩ, в Националната лаборатория на Министерството на енергетиката (DOE) в Аргон, учените са заложили на флуоресценцията като начин да хвърлят светлина – и буквално, и преносно – върху случващото се в поточните батерии, докато работят.

Поточните редокс батерии работят чрез съхраняване на енергия в два отделни резервоара за течност, които са подобни на положителните и отрицателните полюси на AA батерийките. Но поточните батерии са предназначени за много по-големи мащаби от това, което използваме в ежедневието си. Капацитетът на поточната батерия – способността му да запазващ енергия – може да се увеличи чрез използването на по-големи резервоари. Тази гъвкавост ги прави привлекателни за използване в електро-мрежата, където могат да съхраняват електриечство от непостоянно източници като вятърни турбини и слънчеви панели.

За да направят подобни батерии, учените се нуждаят от молекули, наречени редоксмери, наречени по обратимите „окислително-редукционни“ реакции, които претърпяват. По време на тези реакции молекулите получават и отдават електрони, тоест отрицателно заредени частици, които могат да се използват за съхраняване на енергията в батериите. Всеки резервоар се нуждае от различен редоксмер: такъв, който е зареден положително и такъв, който е зареден отрицателно.

Течностите в поточната батерия включват и т. нар. поддържащи електролити, които са по същество солеви разтвори, които провеждат електричество между положителните и отрицателните полюси на акумулатора. Солите се движат през мембрана между резервоарите, за да балансират заряда или разряда на редоксмерите.

Разработването и внедряването на тези батерии ще изисква способността да се следи тяхната производителност в реално време и по начини, които далеч надминават малките икони за „състояние на батерията“, които сме свикнали да виждаме на нашите телефони и компютри. В своето проучване изследователите са се заели да проектират окислително-редукционни молекули, базирани на въглерод, които едновременно могат да носят енергия в батерията и да сигнализират за проблем – кръстосано движение, което се получава, когато редоксмерите мигрират към грешната страна на батерията. Когато се случи подобно кръстосано движение и редоксмерите проникнат през мембраната между двата резервоара, това може да влоши работата на батерията.

„Кръстосаното движение е основен проблем при акумулаторните батерии“, каза Лу Джанг, химик от Аргон. „В този случай е особено предизвикателно, защото имаме работа с много малки молекули, разтворени в електролит, и с мембрани, които са порести“.

Изследователският екип е измислил две химически вариации на общия аноден (отрицателен) редоксмер, 2,1,3-бензотиадиазол (BzNSN). BzNSN е много стабилен по време на зареждане, лесно се разтваря в електролит на основата на разтворител и може да бъде проектиран да флуоресцира под ултравиолетова светлина. Тези свойства го правят отличен кандидат за „самодокладване“ на състоянието на някои видове акумулаторни батерии.

За да измерват флуоресценцията на молекулите в течностите на поточните батерии, изследователите използвали флуориметрични измервания в Центъра за наномащабни материали. Измерванията на електрохимичната стабилност са показали, че има конкретен молекулен дизайн, който поддържа своята електрохимична функция и стабилност в продължение на дни, когато е в заредено състояние. В отделен експеримент, издайническото флуоресцентно сияние под ултравиолетова светлина е помогнало за откриване на кръстосаното движение на редоксмера в реално време, разкривайки как движенията на редоксмерните молекули се променят в зависимост от електролитния състав.

Това е първият път, когато се използва флуоресценция за наблюдение на състоянието на поточна батерия. „Флуоресценция предлага голямо предимство пред другите методи, тъй като е силно чувствителна“, казва Лили Робъртсън, назначена за докторант в Аргон. „Виждаме молекулата в момента, в който пресече [мембраната]”. Другите методи за откриване на кръстосано движение имат недостатък – могат да повлияят на работата на батерията или имат някакви граници на чувствителност.

Способността да се използва флуоресценция като индикатор за проблеми с кръстосано движение в поточна батерия отваря пътя за подобни възможности за самодокладване на проблеми и за други показатели за здравето на акумулатора.

Детайли за техниката бяха публикувани в списание ACS Energy Letters.

Графика: Национална лаборатория Аргон, САЩ

Коментари

Напиши коментар

E-mail адресът Ви няма да бъде публикуван




*