Научные достижения химического факультета
26.12.2020
Микрогели способны стать нетоксичной основой
для проточных аккумуляторов
Ученые Физического и Химического
факультетов МГУ им. М. В. Ломоносова 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.
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
дорогое и опасное удовольствие. Представьте себе склад, заставленный бочками с
растворенных в серной кислоте солями ванадия, например. Поэтому ученые ищут
альтернативные окислительно-восстановительные пары, в том числе на основе
органических веществ. Последние имеют много преимуществ: они не такие дорогие,
как металлы, экологичнее и безопаснее. "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," -- объясняет один из авторов работы, с.н.с.
Химического факультета МГУ, к.х.н. Даниил Иткис.
Химикам
и физикам Московского университета удалось создать такие дисперсные системы,
обладающие окислительно-восстановительными свойствами – полимерные микрогели с
размером частиц в 200-300 нм 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 сохраняют электроактивные свойства. Это
означает, что мы можем получать низковязкий электролит для проточных батарей
емкостью 2.5 мАч/г, — рассказывает руководитель гранта РФФИ, который поддержал
данную работу, и один из соавторов статьи, с.н.с. 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 такие растворы будут нетоксичными и значительно более
дешевыми".
Серьёзно 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
качественному изменению на рынке запасенной электроэнергии. Впрочем, для этого
надо ещё немного поработать.
"Наша работа показала возможность применения редокс-активных
микрогелей, но промышленное производство пока 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 нуждается в совершенствовании. Сейчас мы задумываемся о том, как
будет проходить заряд/разряд в системах с высокими мощностями – очень важный
фактор для реального применения в промышленных масштабах". -- заключает Даниил
Иткис.
Работа поддержана грантом РФФИ - 19-33-70052 мол_а_мос.
Руководитель гранта - с.н.с. Физического факультета МГУ Елена Кожунова.
