I KEMITEKNIK (K3Fe(CN)6), hvorved der udfældes krystallinsk berlinerblåt eller tilsvarende analog. De har en åben gitterstruktur, som kan interkalere hydrerede ioner i vandig elektrolyt, for eksempel kalium eller natrium. På anodesiden kan der eksempelvis bruges organiske antrakinon-molekyler. Som molekyler har de dog en lille opløselighed i vand, når de reduceres elektrokemisk. Dette medfører, at molekylet langsomt diffunderer til katodesiden, og batteriet mister kapaciteten over tid. For at mindske denne effekt kan man relativt let lave molekylet til en polymer, som i praksis er uopløselig i vand, hvorved levetiden øges væsentligt [2,3], figur 2. Organiske-uorganiske flowbatterier En forudsætning for, at et molekyle kan bruges i vandige flowbatterier, er, at de har høj vandig opløselighed. Katodeog anodemolekyler opløses i vand i to forskellige tanke, hvorfra de pumpes ud i en elektrokemisk celle, hvor strømmen omdannes til kemisk energi ved opladning og vice versa ved afladning. Den elektrokemiske celle er sammensat af to kulstofelektroder, som er elektrisk ledende og separeret fra hinanden med en ionselektiv membran, figur 3. På den ene elektrode sker oxidation, mens der på den anden sker reduktion samtidig med en udveksling af en ion gennem membranen. Vandopløseligheden afgør Figur 2. Skematisk fremstilling af et polyantrakinon (anode)/berlinerblå (katode) batteri. Antrakinonen er polymeriseret for at forhindre opløselighed. Når kinonen er reduceret, er den på ionform, hvor ladningen balanceres af en positiv kation (A+), som udveksles gennem en separator fra katodesiden. På katodesiden oxideres berlinblå, hvorved A+ forlader strukturen. både energi- og effekttætheden af et flowbatteri og i kommercielle vanadiumflowbatterier bruges 1,6 M vanadiumopløsninger, som svarer til en energitæthed på 43 Ah pr. L. En af de interessante egenskaber ved organiske molekyler er, at deres opløselighed i vandet kan styres og øges væsentligt ved at sætte funktionelle grupper på molekylet, for eksempel sulfon-, carboxyl-, hydroxy- og fosfatgrupper. Vandopløseligheden kan øges op til 1-4 mol pr. L, som svarer til 50-200 Ah pr. L. Desværre findes der endnu ikke et stabilt organisk molekyle, der kan bruges som katode [4-6]. Et godt alternativ er dog ferrocyanid (AxFe(CN)6) med monovalente metaller (A = K+, Na+, Li+, NH4+), hvilket giver ferrocyanid med meget høj opløselighed. Dette er i kraftig modsætning til de uopløselige berlinerblå og analogerne. Et flowbatteri med ferrocyanid som katode og en modificeret antrakinon (Metusalem [7], figur 3) som anode giver et cellepotentiale på 1V, en høj levetid og en energi- og effekttæthed på omkring 15 Ah pr. L. Dette er lavere end vanadium-flowbatteriet, men fordelen er, at materialerne kan produceres meget billigt i stor skala. E-mail: Solveig Kjeldgaard: solveig@eng.au.dk Emil Drazevic: edrazevic@eng.au.dk Bo Brummerstedt Iversen: bo@chem.au.dk Anders Bentien: bentien@eng.au.dk Referencer 1. Renewable Power Generation Costs in 2017, Renewable Energy Agency. 2. Investigation of low-cost oligoanthraquinones for alkaline, aqueous rechargeable batteries with cell potential up to 1.13 V E. Drazevic, AS. Andersen, K. Wedege, ML. Henriksen, M. Hinge and A. Bentien Journal of Power Sources 381, 94100 (2018). 3. Anthraquinone Oligomers as Anode-Active Material in Rechargeable Nickel/Polymer Batteries with Aqueous Electrolyte. C. Clausen, E. Draževic AS. Andersen, ML. Henriksen, M. Hinge, and A. Bentien ACS Applied Energy Materials (2018). 4. Differential pH as a method for increasing cell potential in organic aqueous flow batteries A Khataee, K Wedege, E Dražević, A Bentien Journal of Materials Chemistry A, 5, 21975-21882 (2017). 5. Organic Redox Species in Aqueous Flow Batteries: Redox Potentials, Chemical Stability and Solubility. K. Wedege, E. Drazevic, D. Konya, A. Bentien Scientific Reports, 2016. 6. 6. Direct Solar Charging of an OrganicInorganic, Stable and Aqueous Alkaline Redox Flow Battery with a Hematite Photoanode. K. Wedege, J. Azevedo, A. Khataee, A, Bentien and A. Mendes. Angew. Chem. 55, 7142-7147 (2016). 7. Alkaline Quinone Flow Battery with Long Lifetime at pH 12. DG. Kwabi, K. Lin, Y. Ji, A. Aspuru-Guzik, R G. Gordon, MJ. Aziz, Joule 9, 1894-1906 (2018). Figur 3. Skematisk billede af flowbatteri med ”Metusalem”-kinonen som anode og Ferro/ Ferricyanid som katode. For kinonen er det carboxylgrupperne i enderne, som gør det opløseligt i vand, mens det for ferrocyaniden er de monovalente kationer typisk K+. Opløsningerne pumpes ind i en elektrokemisk celle, hvor redoxreaktionerne foregår på overfladen af carbonelektroder, samtidig med at der udveksles en kation mellem de to sider. De to opløsninger er separeret af en ionselektiv polymermembran, som stort set kun tillader transport af kationer gennem den. 14 Dansk Kemi, 100, nr. 1, 2019 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her