Эти устройства вырабатывают электричество за счет химических реакций, протекающих в двух жидкостях. Одна из которых отдает электроны, а другая принимает.
В большинстве современных электронных устройств используются литий-ионные аккумуляторы. Альтернатива — проточные батареи. Это гибридные аккумуляторы, которые состоят из двух емкостей, заполненных жидкостями, способными окисляться или восстанавливаться. Емкости разделяет тонкая мембрана, которая не позволяет жидкостям смешиваться, но пропускает содержащиеся в них ионы. Когда жидкости подходят к мембране, они химически взаимодействуют друг с другом, и в результате или окисляются (отдают электроны), или восстанавливаются (принимают электроны). Это приводит к выработке электрического тока.
По словам ученых, подобные устройства более долговечны и экономичны, чем аналоги. Их можно перезаряжать около 10 тысяч раз, а литий-ионные аккумуляторы выдерживают не более тысячи циклов зарядки-разрядки. Также проточные батареи дольше держат заряд и не способны самовозгораться. Это позволяет использовать их в приложениях, где требуется запасать большие количества энергии, например в промышленных и энергетических установках.
Однако в проточных аккумуляторах используются экологически вредные и дорогие соли ванадия. Поэтому исследователи сосредоточились на растворимых в воде полимерах, так как эти составы дешевые и абсолютно безопасные.
В Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова разработали органические водорастворимые полимерные наногели, способные обратимо окисляться и восстанавливаться. Процесс включал два этапа. Сначала авторы химическим путем синтезировали наноразмерные полимерные сетки из отдельных водорастворимых мономеров (органических молекул). Потом к полученным соединениям исследователи добавили дополнительные группы атомов, способные принимать и отдавать электроны в химических реакциях. Такие группы называются окислительно-восстановительными, они нужны для протекания превращений, за счет которых происходит зарядка и разрядка органических проточных аккумуляторов.
Физики определили скорость, с которой проходит окисление и восстановление молекул наногеля при различном содержании в них окислительно-восстановительных групп. Концентрация таких групп должна составлять около 50% от общего содержания органических молекул в растворе. Именно при таких условиях наногели работают оптимально в качестве основного электроактивного компонента и обеспечивают надежное функционирование водных органических проточных батарей.
«В нашей работе мы впервые синтезировали полимерные наногели с окислительно-восстановительными свойствами, продемонстрировали особенности реакций окисления и восстановления таких объектов в водной среде, а также определили, насколько эффективно проходит данный процесс и с какой скоростью. Полученные нами результаты могут стать основой для разработки более дешевых и экологичных аккумуляторов. В дальнейшем мы планируем расширить “библиотеку” химических соединений, применяемых для создания электроактивных наногелей, оптимизировать их состав и в итоге представить прототип проточного аккумулятора, где в качестве активного вещества используются водные растворы наногелей», — рассказала Елена Кожунова, доцент физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
В исследовании также принимали участие московские ученые из Федерального исследовательского центра химической физики имени Н. Н. Семенова РАН, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН и Института биоорганической химии РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Electrochimica Acta.
.png)
