Unveiling the Anion Effect of Potassium Salts on Lawsone-Based Anolytes for Aqueous Redox Flow Batteries

Stel je een wereld voor waarin we de energie van de zon op een heldere zomerdag kunnen opslaan en deze kunnen gebruiken om onze huizen op een donkere winternacht van stroom te voorzien. Dit is de droom van grootschalige energieopslag, en een van de meest veelbelovende instrumenten voor deze taak is de "flowbatterij". Denk bij een flowbatterij niet aan een statisch blok metaal zoals een telefoonbatterij, maar aan een door vloeistof aangedreven motor. Het gebruikt twee tanks met speciale vloeibare chemicaliën die langs elkaar stromen om elektriciteit op te wekken. De schoonheid van deze systemen is dat ze veilig en goedkoop zijn, en ze kunnen even groot als een zwembad of zo klein als een koffer worden gemaakt, afhankelijk van hoeveel energie je nodig hebt.

Het vinden van de juiste "brandstof" voor deze vloeibare motoren is echter lastig. Wetenschappers zoeken naar organische moleculen—koolstofverbindingen die in de natuur voorkomen—die elektronen snel heen en weer kunnen uitwisselen zonder uit elkaar te vallen. Eén van die moleculen wordt Lawsone genoemd, een natuurlijk chemisch bestanddeel dat in hennaplanten wordt gevonden. Het is goedkoop en groen, maar het heeft een temperamentvol karakter: het houdt ervan om te reageren in zeer sterke, zeepachtige (alkalische) vloeistoffen, wat hels helpt om het op te lossen en snel te werken, maar diezelfde sterke omgeving vreet het uiteindelijk weg, waardoor de batterij na verloop van tijd zijn vermogen verliest. De grote vraag voor wetenschappers is geweest: Kunnen we de vloeibare omgeving aanpassen om Lawsone gelukkig en stabiel te maken zonder het Lawsone-molecuul zelf te veranderen?

Dit is precies waar een team onderzoekers van de Seoul National University of Science & Technology en de Kongju National University zich op wilde richten. Ze besloten een spel van "chemische mix-en-match" te spelen met de vloeistof rondom de Lawsone. Meestal gebruiken deze batterijen een zeer sterke, zeepachtige vloeistof genaamd kaliumhydroxide (KOH) om de Lawsone te helpen werken. De onderzoekers vro wonderden zich af of ze de vloeistof iets minder "zeepachtig" konden maken door een deel van de KOH te vervangen door een andere zoutsoort, kaliumchloride (KCl), wat eigenlijk de neef van keukenzout is. Hun logica was simpel: als de vloeistof minder hard is, misschien vreet het de Lawsone niet zo snel weg, en gaat de batterij langer mee.

Ze zetten een race op tussen twee teams. Team A gebruikte de traditionele, sterke KOH-vloeistof. Team B gebruikte een gemengde vloeistof met minder KOH en meer KCl, in de hoop dat de mildere omgeving de batterij zou beschermen. Ze lieten de batterijen door 100 laad- en ontlaadcycli gaan, als het lopen van een marathon om te zien wie zijn snelheid het langst kon vasthouden.

De resultaten waren een verrassing die hun initiële theorie op zijn kop zette. Ze verwachtten dat Team B (de mildere mix) zou winnen omdat het minder hard was voor de Lawsone. In plaats daarvan kwam Team A (de sterke KOH-vloeistof) de finishlijn over met een veel sterkere prestatie. Na 100 cycli behield de batterij met de sterke KOH-vloeistof 72% van zijn oorspronkelijke vermogen. In tegenstelling hiermee hield de batterij met de mildere gemengde vloeistof slechts 42% van zijn vermogen vast.

Waarom faalde de "milde" aanpak? De onderzoekers ontdekten dat hoewel het verlagen van de alkaliteit de chemische afbraak wel vertraagde, het ook het vermogen van de Lawsone om zijn werk te doen vertraagde. Het is alsoam een race te lopen terwijl je zware laarzen draagt; je raakt misschien minder snel gewond, maar je zult te traag zijn om de finish te halen. De sterke KOH-vloeistof fungeerde als een paar high-tech hardloopschoenen, waardoor de Lawsone elektronen super snel kon verplaatsen. Toen ze het zout erin wisselden, werden de "schoenen" lomp, vertraagden de chemische reacties, en kon de batterij het niet bijbenen, wat leidde tot een sneller verlies van vermogen.

Interessant genoeg ontdekten ze ook dat de "mildere" vloeistof niet lang mild bleef. Terwijl de batterij draaide, werd de vloeistof bij het gemengde team in werkelijkheid net zo sterk en zeepachtig als die van het originele team, waardoor de bescherming waar ze op hoopten alsnog verdween. De studie concludeert dat het simpelweg minder alkalisch maken van de vloeistof niet de magische oplossing is. In plaats daarvan ligt het geheim van een langdurige batterij in het vinden van een balans: de vloeistof sterk genoeg houden zodat de Lawsone snel kan bewegen, terwijl men andere manieren vindt om de afbraak te stoppen. Het blijkt dat voor Lawsone een beetje "hardheid" noodzakelijk is om de energie te laten stromen.