Des chercheurs améliorent la solubilité des molécules redox pour améliorer les systèmes de stockage d'énergie

1 juin 2023

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par GIST (Institut des sciences et technologies de Gwangju)

Les technologies de batterie dominantes utilisant des sources d'énergie inflammables, toxiques, non durables et coûteuses sont un contributeur majeur au changement climatique. Le passage des combustibles fossiles à des sources d'énergie plus propres et respectueuses de l'environnement est donc crucial pour limiter les impacts du changement climatique. Cette transition peut être soutenue en améliorant l'efficacité des systèmes de stockage d'énergie pour des opérations plus sûres et stables, la durabilité, une densité d'énergie/puissance élevée.

La recherche sur ce front s'est concentrée sur les approches d'ingénierie moléculaire pour le développement de condensateurs électrochimiques améliorés redox à base aqueuse (EC redox). Les EC redox sont un type de condensateurs électriques hybrides avancés à double couche qui utilisent des molécules actives redox à l'interface électrode-électrolyte pour augmenter la densité d'énergie.

En raison de l'utilisation d'électrolytes organiques à activité redox, ils sont connus pour fournir un avantage en termes de coût, l'utilisation d'éléments abondants en terre et une accordabilité structurelle. Cependant, un défi majeur dans leur développement est le manque de solubilité suffisante de ces espèces dans les systèmes aqueux, ce qui se traduit par une faible densité d'énergie. De plus, les tentatives précédentes d'amélioration de leur solubilité se sont avérées longues et coûteuses.

Aujourd'hui, des chercheurs coréens ont utilisé l'électrolyte de support hydrotrope (HSE) comme approche pour améliorer la solubilité des espèces organiques à activité redox. L'étude, dirigée par le professeur adjoint Seung Joon Yoo et le professeur Sukwon Hong de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju en Corée, a été publiée dans ACS Energy Letters.

Les chercheurs ont utilisé le processus d'hydrotropie, dans lequel une classe de molécules amphiphiles est utilisée. Dans ce phénomène unique de solubilisation, le volume du composant hydrophobe est relativement faible par rapport à celui du tensioactif, permettant ainsi une augmentation de la solubilité du multipli de soluté peu soluble. Les chercheurs ont testé une gamme de quinones comme espèce modèle en raison de leur utilité en tant qu'additif redox-actif et d'une stabilité électrochimique acceptable.

Les chercheurs ont découvert que l'utilisation du HSE (acide p-toluène sulfonique (p-TsOH), acide 2-naphtalènesulfonique (2-NpOH) et acide anthraquinone-2-sulfonique (AQS)) améliorait la solubilité de l'hydroquinone (HQ) sans aucune fonctionnalisation chimique. Surtout, ils ont démontré qu'une augmentation de la solubilité est proportionnelle à la concentration des HSE respectifs.

De plus, ils ont conçu un sel de biredox, le bromure de 2-[N,N,N-tris(2-hydroxyéthyl)]anthracèneméthanaminum-9,10-dione (AQM-Br), qui pourrait participer aux réactions faradiques à la fois positives et négatives. électrodes, et l'a testé dans le système HSE d'une manière dépendante de la concentration. Le Dr Yoo souligne : « La solubilité du HQ dans le HSE a été multipliée par 7 et une espèce multifonctionnelle à double redox (AQM-Br) a été synthétisée, dont la solubilité a été considérablement améliorée, passant d'à peine soluble à > 1 M par optimiser le HSE."

En outre, les chercheurs ont également tenté de comprendre l'action de solubilisation pour l'électrolyte HQ et AQM-Br. En utilisant l'effet Overhauser nucléaire intermoléculaire et des analyses de diffusion dynamique de la lumière, ils ont découvert que la solubilisation hydrotrope pour HQ/HSE était obtenue par le mécanisme de co-solubilisation, alors que pour AQM-Br/HSE, elle était due à la formation de nanostructures quasi-micelles. .

Expliquant les implications potentielles de l'étude, le professeur Yoo conclut : "Notre approche simple peut être facilement étendue à une classe différente d'espèces redox et [être] applicable à une grande variété d'applications, y compris les batteries à flux redox. De plus, notre étude fournit une ligne directrice pour la conception d'électrolytes redox-actifs denses en énergie et une sélection optimale des paires d'électrolytes HSE et redox-actifs."

Plus d'information: Jinhwan Byeon et al, Électrolyte hydrotrope améliorant la solubilité avec des espèces actives redox organiques sur mesure pour les condensateurs électrochimiques améliorés redox, ACS Energy Letters (2023). DOI : 10.1021/acsenergylett.3c00254