Een stap in de richting van efficiëntere energie-opslag

Flow-batterijen zijn zo ontworpen dat ze reagerende stoffen en hun producten buiten het elektrochemische conversieapparaat opslaan, in plaats van binnen de batterijbehuizing. Hierdoor is een onafhankelijke optimalisatie van het vermogen van het apparaat en de opgeslagen energie mogelijk. Voor een efficiënte flow-batterij is een geschikt elektroactief materiaal met veelbelovende redoxeigenschappen essentieel.

Chinonen

Wetenschappers zijn geïnspireerd door de eigenschappen van chinonen in biologische elektronenoverdrachtsystemen. Kort geleden hebben zij melding gemaakt van onderzoek naar chinone redox-paren, op basis van de omkeerbare protonatie van moleculen. Het opnemen van goedkope chinonmoleculen, die overvloedig op aarde voorkomen, in aqueous flow-batterijen, heeft voordelen boven de huidige flow-batterijtechnologieën op het gebied van schaalbaarheid, dynamiek, stabiliteit, oplosbaarheid en afstembaarheid. Met de toegenomen mogelijkheden voor het gebruik van chinonen voor het opslaan van energie op de schaal van het energienet, ligt de primaire uitdaging in het vinden van de moleculen die het best presteren en voldoen aan de eigenschappen en functionaliteiten die nodig zijn voor een praktische flow-batterij.

Virtuele moleculenbibliotheek

In het licht van het enorme aantal organische moleculen dat moet worden bestudeerd, hebben onderzoekers van FOM en Harvard een grootschalig computationeel onderzoek opgezet om het redoxgedrag van moleculen snel te bestuderen. Dit zal de tijd die nodig is om nieuwe elektroactieve materialen voor flow-batterijen te ontdekken flink inkorten. In eerste instantie maakten de onderzoekers een bibliotheek met virtuele kandidaten van meer dan 10 000 chinon/hydrochinonmoleculen. Aan deze virtuele chemicaliënbibliotheek voegen zij voortdurend nieuwe kandidaatmoleculen toe, in nauw overleg met experimentele onderzoekers van de onderzoeksgroepen Aziz (Harvard School of Engineering and Applied Sciences) en Gordon (Scheikunde en Chemische Biologie) van de Universiteit van Harvard.

Simulaties

De onderzoekers gebruikten computersimulaties, die volledig gebaseerd zijn op de basisregels van de kwantumfysica, om enkele belangrijke eigenschappen van kandidaat moleculen te voorspellen: hun driedimensionale structuur, hun oplosbaarheid en hun redoxpotentialen in water. Doordat zij de nieuwe moleculen computationeel bestudeerden, beschikten de wetenschappers over meer kennis en een beter begrip van de belangrijke fysische en chemische eigenschappen van chinonen.

Met alle informatie van de virtuele moleculen bij elkaar, was het mogelijk om de bestaande elektroactieve moleculaire materialen te optimaliseren. De relaties tussen gevonden molecuulstructuur en eigenschappen baande de weg gebaand voor het ontwerpen van nog veel meer moleculen die dienst kunnen doen als onderdelen voor flow-batterijen. Uit de proeven zijn ongeveer driehonderd interessante chinonmoleculen gevonden, die de ontwikkeling van de eerste volledig organische high-performance redox-flow-batterijen mogelijk maken. Naar verwachting zullen de prestaties van deze topkandidaten niet onder doen voor conventionele flow-batterijtechnologieën, waar sinds de jaren negentig onderzoek naar is gedaan.

Dr. Süleyman Er, eerste auteur van het onderzoeksartikel: "Het huidige onderzoek onderstreept het nut van materiaalscreening bij het onderzoeken van een groot aantal moleculen in een vrij korte tijd. In onze aanpak worden zeer nauwkeurige, grootschalige elektronische structuur computaties gekoppeld aan materialen genomische modellen. Zo kunnen we snel de belangrijkste eigenschappen van moleculaire materialen onderzoeken."

‘Computational design of molecules for an all-quinone redox flow battery‘, Süleyman Er, Changwon Suh, Michael P. Marshak en Alán Aspuru-Guzik, Chem. Sci., 2014, online gepubliceerd op 21 november 2014, DOI: 10.1039/C4SC03030C