Periset dari Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) telah mengembangkan baterai yang menyimpan energi dalam molekul organik yang dilarutkan dalam air pH netral. Bahan kimia baru ini memungkinkan adanya baterai non-toksik dan tidak korosif dengan masa pakai yang sangat lama dan menawarkan potensi untuk secara signifikan menurunkan biaya produksi.
Penelitian yang dipublikasikan di ACS Energy Letters , dipimpin oleh Michael Aziz, Profesor Material dan Energi Gene dan Tracy Sykes dan Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot Profesor Kimia dan Profesor Ilmu Material.
Aliran baterai menyimpan energi dalam larutan cair di tangki luar – semakin besar tangki, semakin banyak energi yang mereka simpan. Baterai alir adalah solusi penyimpanan yang menjanjikan untuk energi terbarukan dan terputus-putus seperti angin dan matahari tapi arus baterai saat ini sering mengalami kapasitas penyimpanan energi terdegradasi setelah banyak siklus pengisian daya, yang memerlukan perawatan elektrolit berkala untuk memulihkan kapasitas.
Dengan memodifikasi struktur molekul yang digunakan dalam larutan elektrolit positif dan negatif, dan membuatnya larut dalam air, tim Harvard dapat merancang baterai yang kehilangan hanya satu persen dari kapasitasnya per 1000 siklus.
“Baterai lithium ion bahkan tidak bisa bertahan 1000 siklus charge / discharge lengkap,” kata Aziz.
“Karena kita bisa melarutkan elektrolit dalam air netral, ini adalah baterai tahan lama yang bisa Anda pakai di ruang bawah tanah Anda,” kata Gordon. “Jika tumpah di lantai, tidak akan memakan beton dan karena mediumnya tidak bersifat korosif, Anda bisa menggunakan bahan yang lebih murah untuk membangun komponen baterai, seperti tangki dan pompa.”
Pengurangan biaya ini penting. Departemen Energi (DOE) telah menetapkan tujuan membangun baterai yang dapat menyimpan energi kurang dari $ 100 per kilowatt-jam, yang akan membuat energi angin dan matahari yang tersimpan bersaing dengan energi yang dihasilkan dari pembangkit listrik tradisional.
“Jika Anda bisa mendekati target biaya ini maka Anda mengubah dunia,” kata Aziz. “Ini menjadi biaya efektif untuk menempatkan baterai di banyak tempat. Penelitian ini menempatkan kita satu langkah lebih dekat untuk mencapai target itu. ”
“Bekerja pada elektrolit organik yamg larut dalam air sangat penting dalam mengarahkan jalan menuju baterai masa depan dengan siklus hidup yang jauh lebih baik dan biaya yang jauh lebih rendah,” kata Imre Gyuk, Direktur Riset Penyimpanan Energi di Kantor Listrik DOE. “Saya berharap bahwa aliran arus baterai yang efisien dan lama akan menjadi standar sebagai bagian dari infrastruktur jaringan listrik.”
Kunci untuk merancang baterai adalah untuk mengetahui mengapa molekul sebelumnya terdegradasi begitu cepat dalam larutan netral, kata Eugene Beh, seorang rekan postdoctoral dan penulis pertama makalah tersebut. Dengan pertama-tama mengidentifikasi bagaimana molekul viologen dalam elektrolit negatif terdekomposisi, Beh mampu memodifikasi struktur molekulernya agar lebih lentur.
Selanjutnya, tim beralih ke ferrocene, sebuah molekul yang dikenal dengan sifat elektrokimia, untuk elektrolit positif.
“Ferrocene sangat bagus untuk menyimpan muatan tapi sama sekali tidak larut dalam air,” kata Beh. “Ini telah digunakan pada baterai lain dengan pelarut organik, yang mudah terbakar dan mahal.”
Tetapi dengan memfungsikan molekul ferrocene dengan cara yang sama seperti viologen, tim tersebut mampu mengubah molekul yang tidak larut menjadi zat yang sangat mudah larut yang juga dapat diumpankan secara stabil.
“Ferrocenes larut dalam air mewakili keseluruhan kelas molekul untuk aliran baterai,” kata Aziz.
pH netral sangat membantu dalam menurunkan biaya selektif ion yang memisahkan kedua sisi baterai. Sebagian besar baterai arus menggunakan polimer mahal yang dapat menahan kimia agresif di dalam baterai. Mereka dapat mencakup hingga sepertiga dari total biaya perangkat. Dengan air garam pada kedua sisi membran, polimer mahal bisa diganti dengan hidrokarbon murah.
Penelitian ini ditulis oleh Diana De Porcellinis, Rebecca Gracia, dan Kay Xia. Ini didukung oleh Kantor Ketinggian Ketenagalistrikan dan Reliabilitas Energi DOE dan oleh Advanced Research Projects Agency-DOE.
Dengan bantuan dari Harvard’s Office of Technology Development (OTD), para periset tersebut bekerja sama dengan beberapa perusahaan untuk meningkatkan teknologi untuk aplikasi industri dan untuk mengoptimalkan interaksi antara membran dan elektrolit. Harvard OTD telah mengajukan portofolio paten yang tertunda atas inovasi teknologi aliran baterai.
