Ученые физического и химического факультетов МГУ совместно с коллегами из ФИЦ ХИФ и Сколтеха представили новый класс веществ для проточных батарей. Сравнимые по емкости с самыми популярными соединениями, они оказались намного дешевле и экологичнее. Статья опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters и поддержана грантом РФФИ.
Проточные батареи – тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух разделенных мембраной жидких химических компонентов. Движение электрического тока сопровождает ионный обмен через мембрану, в то время как обе жидкости циркулируют в собственном отдельном пространстве. Основные преимущества таких батарей – масштабируемость и экономичность, поэтому их выгодно использовать в крупных стационарных системах, чтобы хранить энергию. В данной работе рассматриваются редокс-батареи, которые можно перезаряжать.
Самые распространенные батареи такого типа работают на солях тяжелых металлов. Однако это довольно дорого и опасно. Достаточно представить склад, заставленный бочками с растворенными в серной кислоте солями ванадия. Поэтому ученые ищут альтернативные окислительно-восстановительные пары, в том числе на основе органических веществ. Последние имеют много преимуществ: они дешевле, экологичнее и безопаснее, чем металлы.
«Использование органических материалов в крупномасштабных электрохимических накопителях энергии – очень привлекательная идея. На мой взгляд, наиболее перспективно это направление для проточных аккумуляторов, т. к. в нише малых и средних аккумуляторных батарей органике будет все труднее конкурировать с металл-ионными системами», – объяснил один из авторов работы, старший научный сотрудник химического факультета МГУ Даниил Иткис.
Химикам и физикам Московского университета удалось создать такие дисперсные системы, обладающие окислительно-восстановительными свойствами, – полимерные микрогели с размером частиц в 200–300 нанометров на основе полиакриловой кислоты и ее азотсодержащих производных. Причем сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ присоединили к этим цепочкам циклическую молекулу TEMPO – азотсодержащий реактив, который широко применяется в качестве катализатора реакций и имеет высокую редокс-активность. А на кафедре неорганической химии химического факультета изучили электрохимические свойства.
«Исследования материала показывают, что около 14% вещества сохраняет электроактивные свойства. Это означает, что мы можем получать низковязкий электролит для проточных батарей емкостью 2,5 мАч/г, — рассказала один из авторов статьи, старший научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Елена Кожунова. – Мы ожидаем, что дальнейшая работа позволит нам выйти на емкость на литр раствора, которая могла бы конкурировать с таковой для ванадиевых проточных аккумуляторов. При этом наш раствор будет нетоксичным и значительно более дешевым».
Серьезно повышает стоимость проточных аккумуляторов мембрана. В случае с солями металлов требуется очень мелкопористая мембрана, которая выдерживает серную кислоту. А использование высокомолекулярных органических соединений в аккумуляторах проточного типа позволяет использовать более дешевые и простые в изготовлении ионообменные мембраны с большим разбросом в размерах пор. Такое нововведение может критически изменить стоимость батареи и, соответственно, привести к качественным изменениям на рынке запасенной электроэнергии.
«Наша работа показала возможность применения редокс-активных микрогелей, но промышленное производство планировать рано – хотя бы потому, что пока мы смогли получить всего один материал (для положительного электрода), а не пару, которая требуется для создания прототипа. Кроме того, предложенный нами материал необходимо усовершенствовать. Сейчас мы задумываемся о том, как будет проходить заряд/разряд в системах с высокими мощностями, – это очень важный фактор для реального применения в промышленных масштабах»,– заключил Даниил Иткис.
Фото. Микрогели. Снимок сделан при помощи электронного микроскопа. Елена Кожунова/МГУ