Prospek baru yang bersinar untuk baterai yang bisa melaporkan sendiri
HI-Tech

Prospek baru yang bersinar untuk baterai yang bisa melaporkan sendiri


Molekul redoksmer fluoresen 2,1,3-benzothiadiazole melintasi membran dalam baterai aliran yang disederhanakan. Cahaya biru kehijauan mengungkapkan momen saat ia melintasi dan melacak seberapa cepat molekul bergerak. Dengan kata lain, molekul “melaporkan sendiri” lingkungannya. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Memantau kesehatan aliran baterai secara real time merupakan sebuah tantangan. Peneliti Argonne telah merancang molekul fluoresen untuk tujuan tersebut.

Penelitian sedang mengisi daya baterai aliran redoks, solusi potensial untuk menyimpan energi di jaringan listrik. Tetapi baterai semacam itu tetap menjadi kotak hitam dalam hal mendiagnosis kinerja. Di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE), para ilmuwan telah menemukan fluoresensi sebagai cara untuk menjelaskan apa yang terjadi dengan aliran baterai saat mereka beroperasi.

Baterai aliran redoks bekerja dengan menyimpan energi dalam dua tangki cairan terpisah, yang mirip dengan terminal positif dan negatif baterai AA. Tapi baterai flow dimaksudkan untuk timbangan yang jauh lebih besar daripada yang bisa Anda pegang. Kapasitas aliran baterai, atau energi yang dapat disimpan, dapat diputar hanya dengan tangki yang lebih besar. Fleksibilitas ini membuatnya menarik untuk digunakan di jaringan, di mana mereka dapat menyimpan keluaran yang berfluktuasi dari turbin angin dan panel surya.

Untuk membuat cairan ini, ilmuwan baterai membutuhkan molekul yang disebut redoksmer, dinamai berdasarkan reaksi “redoks” reversibel yang mereka alami. Selama reaksi ini, molekul menerima dan memberikan elektron, atau partikel bermuatan negatif, yang dapat digunakan untuk menyimpan energi dalam baterai. Setiap tangki membutuhkan redoks berbeda: yang bermuatan positif dan yang bermuatan negatif.

Cairan baterai juga mengandung elektrolit pendukung, yaitu larutan garam yang menghantarkan listrik antara terminal positif dan negatif baterai. Garam bergerak melintasi membran di antara tangki untuk menyeimbangkan muatan atau pelepasan peredoks.

Mengembangkan dan menggunakan baterai ini akan membutuhkan kemampuan untuk memantau kinerjanya secara real time dan dengan cara yang jauh melampaui ikon ‘status baterai’ kecil yang biasa kita lihat di ponsel dan komputer. Dalam studi yang didanai oleh Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), DOE Energy Innovation Hub yang dipimpin oleh Argonne, para peneliti mulai merancang molekul redoksmer berbasis karbon yang dapat membawa energi di dalam baterai dan juga menandakan masalah yang disebut crossover. , ketika peredoks bermigrasi ke sisi baterai yang salah.

“Crossover adalah masalah utama untuk aliran baterai,” kata Lu Zhang, ahli kimia di Argonne. “Dalam hal ini, ini sangat menantang, karena kita berurusan dengan molekul yang sangat kecil yang terlarut dalam elektrolit dan dengan membran yang berpori.”

Di dunia yang ideal, peredoks tetap berada di kompartemennya masing-masing. Tetapi ketika terjadi persilangan dan redokser menembus membran antara dua tangki, hal itu dapat menurunkan kinerja baterai.

Tim peneliti menemukan dua variasi kimia dari redoksmer sisi anoda umum (negatif), 2,1,3-benzothiadiazole (BzNSN). BzNSN sangat stabil selama pengisian, mudah dilarutkan dalam elektrolit berbasis pelarut dan dapat direkayasa untuk berpendar di bawah sinar ultraviolet. Properti ini menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk agen pelaporan mandiri tentang kesehatan dalam beberapa jenis baterai aliran.

Untuk mengukur fluoresensi molekul dalam cairan baterai aliran umum, para peneliti mengandalkan pengukuran fluorimetri di Center for Nanoscale Materials, DOE Office of Science User Facility, yang menunjukkan perilaku berbeda tergantung pada garam elektrolit yang digunakan. Pengukuran stabilitas elektrokimia juga menggarisbawahi bahwa satu desain molekuler secara khusus mempertahankan fungsi dan stabilitas elektrokimia selama beberapa hari ketika dalam keadaan terisi. Dalam percobaan terpisah, tanda pijar fluoresen di bawah sinar ultraviolet digunakan untuk mendeteksi persilangan redoksmer secara real time, yang mengungkapkan bagaimana pergerakan molekul redoksmer berubah bergantung pada komposisi elektrolit.

Studi ini menandai pertama kalinya fluoresensi digunakan untuk memantau properti status kesehatan dalam desain aliran baterai. “Deteksi fluoresensi menawarkan keuntungan besar dibandingkan metode lain karena sangat sensitif,” kata Lily Robertson, seorang postdoctoral yang diangkat di Argonne. “Kami melihat molekul itu begitu ia melintas.” Metode deteksi lain seperti voltametri siklik atau spektroskopi absorbansi, yang mengukur arus atau absorbansi cahaya, dapat mengganggu baterai yang sedang berjalan atau memiliki batas sensitivitas. Fluoresensi juga menawarkan pegangan visual unik yang mengungkapkan interaksi bernuansa dengan komponen lain dari cairan baterai, seperti elektrolit pendukung.

Mendemonstrasikan kemampuan untuk menggunakan fluoresensi sebagai suar untuk masalah saling silang dalam aliran baterai membuka jalan bagi kemampuan pelaporan mandiri yang serupa di seluruh metrik status kesehatan lainnya.

“Kami membayangkan bahwa kami dapat menerapkan ini ke sebagian besar parameter siklus baterai, seperti penurunan kapasitas,” kata Zhang.

Makalah, “Fluoresensi-Enabled Self-Reporting untuk Baterai Aliran Redoks,” diterbitkan di jurnal Surat Energi ACS di Agustus.


Pembelajaran aktif mempercepat penemuan baterai aliran redoks


Informasi lebih lanjut:
Lily A. Robertson dkk. Pelaporan Mandiri yang Mendukung Fluoresensi untuk Baterai Aliran Redoks, Surat Energi ACS (2020). DOI: 10.1021 / acsenergylett.0c01447

Disediakan oleh Laboratorium Nasional Argonne

Kutipan: Prospek baru yang bersinar untuk baterai pelaporan diri (2021, 3 Februari) diambil pada 3 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-prospect-self-reporting-batteries.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Keluaran SGP