Полімерна мембрана забезпечила понад 50 циклів фторид-іонного акумулятора
Дослідники Політехнічного університету Мілана створили полімерну мембрану, яка за кімнатної температури проводить фторид-іони. В експериментальних акумуляторних елементах із нею вдалося забезпечити стабільну роботу протягом понад 50 циклів.
Квазітверда гелеподібна мембрана виконує функцію фторид-обмінної мембрани та переносить іони між електродами. Така розробка допомагає подолати одну з ключових перешкод на шляху до фторид-іонних акумуляторів. Їх розглядають як можливу альтернативу літій-іонним батареям: фтор є поширеним елементом, а теоретична енергетична щільність цієї хімічної системи може бути високою.
Як працює полімерна мембрана
Електроліт створили на основі перфторсульфонової амідної іономерної матриці з тетраалкіламонієвими фторидними групами. Така будова забезпечує переміщення фторид-іонів усередині матеріалу.
Для поліпшення іонного транспорту мембрану обробили сумішшю двох розчинників – 1,3-діоксолану (DOL) і диметилсульфоксиду (DMSO). Вона сприяє набуханню іономера та створює умови для руху фторид-іонів крізь квазітвердий матеріал.
Електрохімічна імпедансна спектроскопія показала, що за кімнатної температури іонна провідність мембрани сягає 1,3 × 10⁻³ С/см. Також дослідники застосували моделювання молекулярної динаміки, щоб оцінити, як будова мембрани та склад розчинника впливають на переміщення іонів. Розрахунки засвідчили важливу роль DMSO: як полярний агент набухання він допомагає сформувати середовище, придатне для переносу фторид-іонів.
Випробування та потенціал акумуляторів
Електроліт перевірили в монетарних акумуляторних елементах зі свинцевими та свинцево-фторидними електродами. У них відбувалися зворотні процеси фторування та дефторування: під час заряджання й розряджання фторид-іони переміщувалися до електродних матеріалів і назад.
За кімнатної температури елементи стабільно працювали понад 50 циклів за струму 0,1C. Результат свідчить, що мембрана може підтримувати багаторазове переміщення фторид-іонів без швидкої деградації в лабораторних умовах.
За оцінкою дослідників, це перша фторид-обмінна мембрана, розроблена спеціально для такого типу акумуляторів. Під час її створення команда спиралася на відомі підходи до протон- та аніон-обмінних мембран.
Мембрану характеризують як негорючу, що потенційно може підвищити безпеку систем зберігання енергії. Водночас випробування малих лабораторних елементів не доводять ані протипожежної безпеки повнорозмірних батарей, ані їхньої комерційної ефективності.
Теоретична енергетична щільність фторид-іонних акумуляторів, за оцінками команди, може становити близько 600 Вт·год/кг. Для порівняння, у стандартних літій-іонних батарей цей показник зазвичай перебуває в межах 150–250 Вт·год/кг. Однак ці значення відображають потенціал хімічної системи, а не характеристики випробуваних експериментальних елементів.
У разі подальшого розвитку технологія може знайти застосування у стаціонарних системах зберігання енергії, електромобілях і авіації. Однак фторид-іонні батареї поки що перебувають на ранньому етапі досліджень. Для конкуренції з відпрацьованими літій-іонними системами потрібно вдосконалити електродні матеріали, підвищити стабільність і термін служби акумуляторів, а також поліпшити їхню загальну продуктивність.
Нова мембрана є одним із можливих рішень для ефективного переносу фторид-іонів за кімнатної температури. Дослідження очолювали Мауріціо Санзотера, Лука Маганьїн і Джузеппіна Раффаїні, а провідним автором статті став Федеріко Марія Шеза. Результати роботи опубліковано в журналі Energy Storage Materials.
Источник: agroreview.com