Профессор химического машиностроения доктор Джоди Луткенхаус и доцент кафедры химии доктор Дэниел Табор обнаружили значительную емкость аккумуляторов на основе воды. Credit: Texas AM Engineering
Исследователи Техасского университета AM обнаружили значительное увеличение емкости электродов аккумуляторов на основе воды.
Ученые Техасского университета AM обнаружили 1000%-ную разницу в емкости электродов безметалловых аккумуляторов на водной основе.
Безметалловые аккумуляторы на водной основе отличаются от тех, в которых кобальт используется в литий-ионной форме. Внимание исследовательской группы к этому типу аккумуляторов обусловлено стремлением усилить контроль над отечественной цепочкой поставок, поскольку кобальт и литий обычно поставляются из-за рубежа. Кроме того, более безопасный химический состав батарей может предотвратить пожары.
Профессор химического машиностроения д-р Джоди Луткенхаус и доцент химии д-р Дэниел Табор опубликовали свои выводы о безлитиевых батареях в журнале Nature Materials.
«Пожаров в батареях больше не будет, потому что они на водной основе», — говорит Люткенхаус. «В будущем, если прогнозируется дефицит материалов, цена на литий-ионные батареи сильно возрастет. Если у нас будет альтернативная батарея, мы сможем перейти на эту химию, поставки которой будут гораздо более стабильными, поскольку мы можем производить их здесь, в США, и материалы для их изготовления находятся здесь».
По словам Люткенхауса, водные батареи состоят из катода, электролита и анода. Катоды и аноды представляют собой полимеры, способные накапливать энергию, а электролит — это вода, смешанная с органическими солями. Электролит, взаимодействуя с электродом, играет ключевую роль в ионной проводимости и накоплении энергии.
«Если электрод слишком сильно разбухает во время циклирования, то он не может хорошо проводить электроны, и вы теряете всю эффективность», — говорит она. «Я считаю, что разница в емкости хранения энергии в зависимости от выбора электролита может составлять 1000% из-за эффекта набухания».
В статье говорится, что редокс-активные несопряженные радикальные полимеры (электроды) являются перспективными кандидатами для безметалловых водных аккумуляторов благодаря высокому разрядному напряжению и быстрой окислительно-восстановительной кинетике полимеров. Реакция является сложной и трудноразрешимой из-за одновременного переноса электронов, ионов и молекул воды.
«Мы демонстрируем природу окислительно-восстановительной реакции, исследуя водные электролиты с различным хао-/космотропным характером с помощью электрохимического кварцевого микровесы с мониторингом диссипации на различных временных масштабах», — говорится в статье исследователей.
Исследовательская группа Табора дополнила экспериментальные работы вычислительным моделированием и анализом. Моделирование позволило получить представление о микроскопической молекулярно-масштабной картине структуры и динамики.
«Теория и эксперимент часто работают в тесном контакте для понимания этих материалов. Одна из новых вещей, которую мы делаем с помощью вычислений в этой работе, заключается в том, что мы фактически заряжаем электрод до различных состояний заряда и смотрим, как окружающая среда реагирует на этот заряд», — сказал Табор.
Исследователи макроскопически наблюдали, лучше ли работает катод батареи в присутствии определенных видов солей, измеряя точное количество воды и солей, поступающих в батарею в процессе ее работы.
«Мы сделали это, чтобы объяснить то, что наблюдалось экспериментально», — сказал он. «Теперь мы хотели бы распространить наше моделирование на будущие системы. Нам нужно было подтвердить нашу теорию о том, какие силы приводят в движение такое количество воды и растворителя».
«Новая технология хранения энергии — это шаг вперед к созданию безлитиевых батарей. Мы получили более полное представление на молекулярном уровне о том, что заставляет одни электроды работать лучше, чем другие, и это дает нам убедительные доказательства того, куда двигаться дальше в разработке материалов», — сказал Табор.
Справка: «Роль электролита в несопряженных радикальных полимерах для безметалловых водных электродов для хранения энергии» Тинг Ма, Ченг-Хан Ли, Ратул Митра Тхакур, Дэниел П. Табор и Джоди Л. Люткенхаус, 27 марта 2023 г., Nature Materials . DOI: 10.1038/s41563-023-01518-z
Проект финансируется Министерством энергетики США и Национальным научным фондом через Техасскую инженерную экспериментальную станцию AM.
