Специалисты из Японии заявили о разработке твёрдого перезаряжаемого воздушного аккумулятора
Это первая в своем роде аккумуляторная батарея, где отрицательный электрод выполнен на базе бензохинона и используется совместно с твердым полимерным электролитом Nafion. В качестве активного материала для отрицательных электродов традиционно используются металлы. Однако в последнее время фокус сдвигается в сторону применения окислительно-восстановительных органических молекул. Речь идёт об использовании соединений на базе хинона и амина. Они применяются в перезаряжаемых металло-воздушных аккумуляторах. Положительные электроды в таких системах снижают содержание кислорода.
В окислительно-восстановительных реакциях участвуют гидроксид-ионы и протоны. Это обеспечивает аккумулятору высокую производительность, которая приближается к максимальной теоретической ёмкости. Окислительно-восстановительные органические молекулы в перезаряжаемых воздушных аккумуляторах решают проблемы, традиционно связанные с металлическими электродами. Речь идёт об образовании дендритов, которые снижают эксплуатационные характеристики аккумулятора и отрицательно сказываются на окружающей среде.
В подобных батареях используются жидкие электролиты, как и в аккумуляторах с металлическими электродами. Это приводит к серьезным проблемам с безопасностью. Речь идет о воспламеняемости, высоком электрическом сопротивлении, выщелачивании. Недавно Angewandte Chemie International Edition опубликовали новое исследование, в котором японские учёные рассказывают о разработке полностью твердотельной перезаряжаемой воздушной аккумуляторной батареи (SSAB). Учёные провели исследование ёмкости и долговечности этого аккумулятора. Руководителем этой работы стал профессор Кендзи Миятаке из Университета Васэда и Университета Яманаси. В качестве соавтора выступил профессор Кеничи Ояидзу из Университета Васэда.
Они остановили свой выбор на химическом веществе 2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон (DHBQ) и его полимер поли(2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон-3,6-метилен) (PDBM), использованных в качестве активных материалов для отрицательного электрода. Это объясняется тем, с ними протекают стабильные и обратимые окислительно-восстановительные реакции в кислых условиях. В качестве твёрдого электролита японский учёный использовали протонпроводящий полимер нафион. Они заменили им традиционные жидкие электролиты.
После того, как был создан SSAB, японские исследователи в ходе эксперимента оценили характеристики заряда и разряда, циклируемость и скоростные параметры. Они утверждают, что в отличие от стандартных воздушных аккумуляторов с металлическим отрицательным электродом и органическим жидким электролитом, электрохимическая система SSAB не разрушается в присутствии кислорода и воды. А также отмечается, что благодаря замене окислительно-восстановительной молекулы DHBQ на ее полимерный аналог PDBM удалось создать лучший отрицательный электрод. Ёмкость разряда на грамм SSAB-DHBQ при постоянной плотности тока 1 мАсм-2 равна 29,7 мАч, а для SSAB-PDBM оно равно 176,1 мАч.
Исследователям также удалось обнаружить, что кулоновская эффективность SSAB-PDBM составляла 84% при температуре 4°С. Она постепенно снижалась до 66% при температуре 101°С. При этом разрядная ёмкость SSAB-PDBM снизилась до 44% после 30 циклов. За счет увеличения содержания протон-проводящего полимера в отрицательном электроде исследователи смогли значительно улучшить ее до 78%. Изображения, полученные с электронного микроскопа подтвердили, что нафион улучшает параметры электрода PDBM и его долговечность.
Проведённое исследование демонстрирует успешное функционирование системы SSAB, в которой присутствуют окислительно-восстановительные органические молекулы в качестве отрицательного электрода. В роли твёрдого электролита здесь выступает протон-проводящий полимер. Положительный электрод, восстанавливающий кислород, в данном случае диффузионного типа. Исследователи считают, данная разработка открывает путь к дальнейшим достижениям в данной сфере. Миятакэ утверждает, что продемонстрированная имя технология поможет существенно увеличить срок эксплуатации аккумуляторов для компактных электронных гаджетов. Например, для смартфонов и планшетов. Результаты исследования были опубликованы здесь.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
