మా ఫోన్‌లు, పరికరాలు మరియు కార్లలో ఉపయోగించే బ్యాటరీలు ఇంటెన్సివ్ మరియు ఇన్వాసివ్ మైనింగ్ ద్వారా సేకరించబడిన లిథియం మరియు కోబాల్ట్ వంటి లోహాలపై ఆధారపడతాయి. మరిన్ని ఉత్పత్తులు బ్యాటరీ-ఆధారిత శక్తి నిల్వ వ్యవస్థలపై ఆధారపడటం ప్రారంభించినందున, గ్రీన్ ఎనర్జీ పరివర్తనను సులభతరం చేయడానికి మెటల్-ఆధారిత పరిష్కారాల నుండి దూరంగా మారడం చాలా కీలకం.
ఇప్పుడు, నార్త్‌వెస్ట్రన్ విశ్వవిద్యాలయంలోని ఒక బృందం సేంద్రీయ పారిశ్రామిక-స్థాయి వ్యర్థ ఉత్పత్తిని స్థిరమైన శక్తి పరిష్కారాల కోసం సమర్థవంతమైన నిల్వ ఏజెంట్‌గా మార్చింది, అది ఒక రోజు చాలా పెద్ద ప్రమాణాలలో వర్తించవచ్చు. రెడాక్స్ ఫ్లో బ్యాటరీలు అని పిలువబడే ఈ బ్యాటరీల యొక్క అనేక పునరావృత్తులు ఉత్పత్తిలో ఉన్నాయి లేదా గ్రిడ్-స్కేల్ అప్లికేషన్‌ల కోసం పరిశోధించబడుతున్నాయి, వ్యర్థ అణువు — ట్రిఫెనిల్ఫాస్ఫైన్ ఆక్సైడ్ (TPPO) — రంగంలో మొదటిదిగా గుర్తించబడింది.
అనేక సేంద్రీయ పారిశ్రామిక సంశ్లేషణ ప్రక్రియల ద్వారా ప్రతి సంవత్సరం వేల టన్నుల ప్రసిద్ధ రసాయన ఉపఉత్పత్తి ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది — కొన్ని విటమిన్ల ఉత్పత్తితో సహా, ఇతర విషయాలతోపాటు — కానీ అది పనికిరానిది మరియు ఉత్పత్తి తర్వాత జాగ్రత్తగా విస్మరించబడాలి.
ఈ రోజు (జనవరి 7) ప్రచురించిన ఒక పేపర్‌లో అమెరికన్ కెమికల్ సొసైటీ జర్నల్, “ఒక-పాట్” ప్రతిచర్య TPPOను శక్తిని నిల్వ చేయగల శక్తివంతమైన ఉత్పత్తిగా మార్చడానికి రసాయన శాస్త్రవేత్తలను అనుమతిస్తుంది, దీర్ఘకాలంగా ఊహించిన బ్యాటరీ రకం, వ్యర్థ-ఉత్పన్నమైన ఆర్గానిక్ రెడాక్స్ ఫ్లో బ్యాటరీల సాధ్యత కోసం తలుపులు తెరుస్తుంది.
“బ్యాటరీ పరిశోధన సాంప్రదాయకంగా ఇంజనీర్లు మరియు మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్తలచే ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది” అని వాయువ్య రసాయన శాస్త్రవేత్త మరియు ప్రధాన రచయిత క్రిస్టియన్ మలాపిట్ అన్నారు. “సింథటిక్ కెమిస్ట్‌లు సేంద్రీయ వ్యర్థ ఉత్పత్తిని పరమాణుపరంగా ఇంజినీరింగ్ చేయడం ద్వారా ఈ రంగానికి దోహదపడతారు. మా ఆవిష్కరణ వ్యర్థ సమ్మేళనాలను విలువైన వనరులుగా మార్చే సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది, బ్యాటరీ సాంకేతికతలో ఆవిష్కరణకు స్థిరమైన మార్గాన్ని అందిస్తుంది.”
మలాపిట్ నార్త్‌వెస్టర్న్‌లోని వీన్‌బెర్గ్ కాలేజ్ ఆఫ్ ఆర్ట్స్ అండ్ సైన్సెస్‌లో కెమిస్ట్రీ విభాగంలో అసిస్టెంట్ ప్రొఫెసర్.
ప్రస్తుతం బ్యాటరీ మార్కెట్‌లో కొంత భాగం, రెడాక్స్ ఫ్లో బ్యాటరీల మార్కెట్ 2023 మరియు 2030 మధ్య 15% పెరిగి ప్రపంచవ్యాప్తంగా 700 మిలియన్ యూరోల విలువకు చేరుకుంటుందని అంచనా. ఎలక్ట్రోడ్‌లలో శక్తిని నిల్వ చేసే లిథియం మరియు ఇతర ఘన-స్థితి బ్యాటరీల వలె కాకుండా, రెడాక్స్ ఫ్లో బ్యాటరీలు ఎలక్ట్రోలైట్‌ల మధ్య శక్తిని ముందుకు వెనుకకు పంప్ చేయడానికి రసాయన ప్రతిచర్యను ఉపయోగిస్తాయి, ఇక్కడ వాటి శక్తి నిల్వ చేయబడుతుంది. శక్తి నిల్వలో అంత సమర్థవంతంగా లేనప్పటికీ, రెడాక్స్ ఫ్లో బ్యాటరీలు గ్రిడ్ స్కేల్‌లో శక్తి నిల్వకు మెరుగైన పరిష్కారాలుగా భావించబడుతున్నాయి.
“సేంద్రీయ అణువును ఉపయోగించడమే కాకుండా, ఇది అధిక-శక్తి సాంద్రతను కూడా సాధించగలదు — దాని లోహ-ఆధారిత పోటీదారులకు చేరువవుతుంది — అధిక స్థిరత్వంతో పాటు,” ఎమిలీ మహోనీ, Ph.D. మలాపిట్ ల్యాబ్‌లోని అభ్యర్థి మరియు పేపర్ యొక్క మొదటి రచయిత. “ఈ రెండు పారామితులు సాంప్రదాయకంగా కలిసి ఆప్టిమైజ్ చేయడం సవాలుగా ఉన్నాయి, కాబట్టి వ్యర్థాల నుండి ఉత్పన్నమైన అణువు కోసం దీన్ని చూపించగలగడం చాలా ఉత్తేజకరమైనది.”
శక్తి సాంద్రత మరియు స్థిరత్వం రెండింటినీ సాధించడానికి, బృందం ఎలక్ట్రాన్‌లను కాలక్రమేణా నిల్వ సామర్థ్యాన్ని కోల్పోకుండా ద్రావణంలో గట్టిగా ప్యాక్ చేయడానికి అనుమతించే వ్యూహాన్ని గుర్తించాల్సిన అవసరం ఉంది. వారు గతాన్ని చూసారు మరియు ఫాస్ఫిన్ ఆక్సైడ్ల యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమిస్ట్రీని వివరించే 1968 నుండి ఒక కాగితాన్ని కనుగొన్నారు మరియు మహనీ ప్రకారం, “దానితో పరిగెత్తారు.”
అప్పుడు, సంభావ్య శక్తి-నిల్వ ఏజెంట్‌గా అణువు యొక్క స్థితిస్థాపకతను అంచనా వేయడానికి, బృందం బ్యాటరీని ఛార్జ్ చేయడం, బ్యాటరీని ఉపయోగించడం, ఆపై దాన్ని మళ్లీ మళ్లీ ఛార్జ్ చేయడం వంటి స్టాటిక్ ఎలక్ట్రోకెమికల్ ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ ప్రయోగాలను ఉపయోగించి పరీక్షలను నిర్వహించింది. 350 చక్రాల తర్వాత, బ్యాటరీ విశేషమైన ఆరోగ్యాన్ని కాపాడుకుంది, కాలక్రమేణా అతితక్కువ సామర్థ్యాన్ని కోల్పోతుంది.
“సేంద్రీయ కెమిస్ట్రీలో ఫంక్షనల్ గ్రూప్ — బ్యాటరీ పరిశోధనలో రెడాక్స్-యాక్టివ్ కాంపోనెంట్‌గా ఫాస్ఫైన్ ఆక్సైడ్‌లను ఉపయోగించడం ఇది మొదటి ఉదాహరణ” అని మలాపిట్ చెప్పారు. “సాంప్రదాయకంగా, తగ్గిన ఫాస్ఫైన్ ఆక్సైడ్లు అత్యంత అస్థిరంగా ఉంటాయి. మా మాలిక్యులర్ ఇంజనీరింగ్ విధానం ఈ అస్థిరతను పరిష్కరిస్తుంది, శక్తి నిల్వలో వాటి అనువర్తనానికి మార్గం సుగమం చేస్తుంది.”
ఈలోగా, ఇతర పరిశోధకులు ఛార్జ్‌ని ఎంచుకుని, దాని సామర్థ్యాన్ని మరింత ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి మరియు మెరుగుపరచడానికి TPPOతో పని చేయడం ప్రారంభిస్తారని సమూహం భావిస్తోంది.
ఈ పరిశోధనకు నార్త్‌వెస్ట్రన్, డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ ఆఫీస్ ఆఫ్ బేసిక్ ఎనర్జీ సైన్సెస్ (DE-FG02-99ER14999) మరియు నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ గ్రాడ్యుయేట్ రీసెర్చ్ ఫెలోషిప్ నుండి స్టార్టప్ గ్రాంట్ మద్దతు లభించింది.
