Коллектив российских ученых представил новый класс веществ для проточных батарей — это полимерные микрогели на основе полиакриловой кислоты и ее азотсодержащих производных. Новые аккумуляторы сравнимы по емкости с самыми распространенными батареями на сегодняшний день, а кроме того, намного дешевле и экологичнее.

Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Ученые физического и химического факультетов МГУ совместно с коллегами из ФИЦ ХИФ и Сколтеха создали новую основу для проточной редокс-батареи. Как правило, эти устройства работают на солях тяжелых металлов, поэтому достаточно дорогие и опасные. В своей разработке авторы использовали органические вещества. Полученные дисперсные системы состоят из полимерных микрогелей с размером частиц в 200–300 нанометров на основе полиакриловой кислоты и ее азотсодержащих производных.

«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, — рассказала одна из соавторов статьи, старший научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физфака 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».

Проточная батарея — тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается двумя разделенными мембраной жидкими химическими компонентами. Движение электрического тока сопровождает ионный обмен через мембрану, в то время как обе жидкости циркулируют в собственном отдельном пространстве. Такие батареи масштабируемы и экономичны, поэтому их выгодно использовать в крупных стационарных системах.

Микрогели. Снимок сделан при помощи электронного микроскопа / Елена Кожунова/МГУ

Применение высокомолекулярных органических соединений в аккумуляторах проточного типа позволяет использовать более дешевые и простые в изготовлении ионообменные мембраны с большим разбросом в размерах пор. Тогда как в случае с солями металлов требуется очень мелкопористая мембрана, которая выдерживает серную кислоту. Такое нововведение может критически изменить стоимость батареи и, соответственно, привести к качественному изменению 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 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», — заключил соавтор работы, старший научный сотрудник химфака МГУ Даниил Иткис.