Синтез производных НДИ, модифицированных цвиттер-ионом, был осуществлен исследователями методом атмосферного давления.
Водные органические окислительно-восстановительные батареи (AORFB) хорошо подходят для крупномасштабных приложений по хранению энергии. (Изображение)
Цзянь Фань/Gettyimages
Исследователи разработали водно-органическую окислительно-восстановительную проточную батарею (AORFB), демонстрирующую стабильную работу без существенного снижения емкости на протяжении 220 циклов заряда-разряда.
Работа группы ученых из Сианьского университета Цзяотун под руководством профессора Ган Хэ сосредоточена на разработке новой конструкции электролита, которая решает постоянные проблемы, связанные со стабильностью и стоимостью этих систем хранения энергии.
«Благодаря высокой плотности энергии, длительному сроку службы и превосходным показателям безопасности проточная батарея считается перспективным кандидатом среди крупномасштабных устройств хранения энергии», — заявил исследователь в новом исследовании.
Данная разработка основана на модифицированном производном нафталиндиимида (НДИ) для использования в качестве анолита аккумулятора.
Проблемы электролитов на основе НДИ
AORFB рассматриваются как крупномасштабные системы хранения энергии, поскольку их компоненты, содержащие большое количество земли, работают в растворах на водной основе.
Производные НДИ являются кандидатами на роль анолита, отрицательного электролита, благодаря своей способности хранить два электрона на молекулу, что может способствовать повышению плотности энергии батареи.
Однако их практическое использование было ограничено определенными проблемами производительности. Боковые цепи и имидные кольца молекул NDI подвержены нуклеофильной атаке гидроксид-ионов в водном электролите, что приводит к молекулярному разложению.
Кроме того, агрегация молекул под действием радикалов может привести к увеличению вязкости электролита, что может повлиять на работу аккумулятора.
Хотя предыдущие модификации улучшили растворимость материалов NDI, молекулярная стабильность и долговечность при циклировании по-прежнему требуют улучшения.
Водяная батарея: инновационное молекулярное решение
Для решения этих проблем исследователи синтезировали производные NDI, модифицированные цвиттерионами с использованием метода атмосферного давления. Введение этих цвиттерионов, содержащих положительные и отрицательные заряды, создает электростатическое отталкивание между молекулами NDI.
Это отталкивание организует молекулы в параллельно-смещенную укладку. Угол между соседними молекулами составляет 42,8°, а расстояние укладки — 3,45 Å. Эта структура имеет несколько эффектов.
Во-первых, четыре заряженных центра на цвиттер-ионной молекуле NDI, называемой (CBu)2NDI, повышают ее растворимость до 1,49 М. Во-вторых, такое расположение повышает ароматичность молекулы в ее восстановленном состоянии, что способствует ее стабильности при переносе электронов.
Эта структура также ингибирует необратимые реакции разложения боковой цепи и диимидных колец, вызванные атакой гидроксид-ионов.
Результаты деятельности и перспективы на будущее
Расчеты энергии в одной точке показали, что ионы калия (K+) электролита стабилизируют структуру (CBu)2NDI посредством электростатического притяжения.
Проточная батарея, использующая этот электролит в сочетании с католитом на основе ферроцианида калия, была испытана при концентрации электронов 2 М. Общая стоимость электролитных материалов оценивается в 6,18 долл. США за ампер-час.
Разработка электролитов на основе НДИ, которые являются стабильными и недорогими, является шагом на пути к потенциальной коммерциализации AORFB.
Долгосрочная циклическая стабильность этих батарей при высоких концентрациях по-прежнему остается в центре внимания при разработке этой технологии хранения энергии.
Sourse: interestingengineering.com
