Исследователи Сколтеха в сотрудничестве с их российскими коллегами разработали новые соединения для использования в качестве католитов и анолитов в органических проточных аккумуляторах (англ. Redox Flow Batteries - RFB), что позволило на еще один шаг приблизить данную развивающуюся технологию к коммерциализации
. Результаты исследований представлены в двух статьях, опубликованных в авторитетных научных изданиях Journal of Materials Chemistry A и Chemical Communications.
Системы запасания и хранения энергии – важнейшая составляющая экологичных энергосистем будущего, основанных на использовании возобновляемых источников энергии, таких как солнечные или ветряные электростанции. Аккумуляторы для электросетей должны удовлетворять требованиям по безопасности, срокам эксплуатации и обладать возможностью масштабирования. Несмотря на то что конструктивно проточные аккумуляторы отвечают всем этим требованиям, они имеют существенный недостаток - низкая удельная емкость остается одним из главных препятствий на пути к их широкому коммерческому использованию. Для решения этой проблемы проводятся исследования, направленные на создание более совершенных редокс-активных компонентов аккумуляторов.
«Главным преимуществом проточных аккумуляторов является их легкая масштабируемость: емкость аккумулятора ограничена только объемом электролита, поэтому для крупномасштабных энергетических установок такая конструкция представляется идеальной. В настоящее время мы исследуем органические редокс-активные материалы, растворимые в органических растворителях и предназначенные для неводных проточных аккумуляторов (англ. Non-aqueous Redox Flow Batteries). Основные преимущества данных батарей – это высокое напряжение (до 5 В по сравнению с 1,6 В для систем на водной основе), большое разнообразие органических редокс-активных молекул, которые могут быть использованы, и потенциальная работоспособность батарей при низких температурах, в том числе ниже 0°C. В нашем исследовании нам удалось добиться серьезных успехов в создании проточных аккумуляторов такого типа», – рассказывает первый автор статей, аспирант Сколтеха Елена Ромадина.
В опубликованных работах Елена Ромадина и ее коллеги описывают новые перспективные католиты и анолиты для проточных аккумуляторов. Речь идет о материалах на основе триариламина и феназина, соответственно. В первой работе авторы отмечают, что им удалось разработать, синтезировать и протестировать растворимость и электрохимические свойства семи редокс-активных соединений на основе триариламина. Из семи соединений одно было выделено как наиболее перспективное для дальнейших исследований. Авторы подчеркивают, что все разработанные ими соединения обладают практически неограниченной растворимостью в полярных органических растворителях, таких как ацетонитрил, а это означает, что на их основе можно создавать проточные аккумуляторы высокой емкости. Во второй статье описано синтезированное в две стадии производное феназина с олигомерными этиленгликолевыми заместителями, которое продемонстрировало стабильное циклирование в качестве анолита в проточном аккумуляторе.
«В неводных органических проточных аккумуляторах с анолитом на основе феназина и наиболее перспективным католитом на основе триариламина были отмечены высокое напряжение элемента – 2,3 В, высокая емкость, кулоновская эффективность более 95% и хорошая стабильность циклирования в течение 50 циклов», – говорится в статье, опубликованной в журнале Chemical Communications.
«В результате нашей работы был получен новый класс соединений, которые можно использовать в проточных аккумуляторах. Ранее политриариламины исследовались в качестве катодных материалов в металл-ионных аккумуляторах, однако в проточных аккумуляторах этот класс соединений исследован не был. Триариламины демонстрируют стабильный и полностью обратимый окислительно-восстановительный процесс, и, кроме того, они могут быть легко модифицированы для тонкой настройки окислительно-восстановительного потенциала и физических свойств молекул.Также мы обнаружили, что соединения на основе триариламинов способны сохранять свои электрохимические свойства даже при наличии воды в органическом растворителе, что позволяет снизить стоимость и требования к качеству его подготовки», – добавляет Елена Ромадина.
«Мы рассматриваем проточный аккумулятор в комплексе, с тем чтобы добиться более высокого рабочего напряжения элемента и при этом не допустить деградации рабочих характеристик католита и анолита. Прежде чем проточные аккумуляторы выйдут на уровень коммерческого продукта, необходимо провести целый ряд дополнительных исследований, в частности, разработать экономичный масштабируемый процесс синтеза высокорастворимых редокс-активных соединений, создать высокоэффективные мембраны, которые обладали бы характеристиками хорошего ионного проводника, но при этом препятствовали переходу активных веществ через мембрану в процессе работы батареи; а также провести масштабирование с целью создания более крупных устройств и стеков для хранения энергии в масштабах сети», – рассказывает один из авторов статей, профессор Сколтеха Кит Стивенсон.
Исследование проводилось с участием специалистов Института проблем химической физики РАН и Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
