Источник фото — rscf.ru
Проточные батареи 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. «Поднимаясь» к мембране, жидкости взаимодействуют друг с другом, в результате одна из них окисляется (отдает электроны), а вторая – восстанавливается (принимает электроны), что приводит к выработке электрического тока.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, проточные батареи не требуют использования специальных систем охлаждения, при этом их эффективность (т.е. способность регенерации накопленной электроэнергии) не снижается даже после 10 тыс. циклов зарядов-разряда. Однако препятствием для внедрения проточных батарей является использование дорогих и экологически небезопасных солей ванадия. Выходом может стать применение растворимых в воде полимеров.
Именно такое решение предложили ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова, которые разработали органические водорастворимые полимерные наногели, способные обратимо окисляться и восстанавливаться. Авторы исследования химическим путем синтезировали наноразмерные полимерные сетки из отдельных водорастворимых мономеров (органических молекул), а затем к полученным соединениям «пришили» окислительно-восстановительные группы атомов, способных принимать и отдавать электроны в химических реакциях.
Наконец, на последнем этапе физики оценили скорость, с которой происходит окисление и восстановление молекул наногеля при различном содержании в них окислительно-восстановительных групп. Эксперименты показали, что концентрация таких групп должна составлять 50% от общего содержания органических молекул в растворе. Именно при таких условиях наногели наиболее эффективны в качестве основного электроактивного компонента, обеспечивающего надежную работу 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», — цитирует Российский научный фонд Елену Кожунову, одного из авторов исследования, доцента физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
