Полимерные наногели для проточных аккумуляторов, которые смогут заменить в них используемые в настоящее время дорогие и токсичные реактивы, разработали ученые МГУ им. М. В. Ломоносова, 19 февраля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.

Большинство портативных и переносных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и планшеты, фотоаппараты и многие другие, используют литий-ионные аккумуляторы. Эти аккумуляторы требуют достаточно частой подзарядки и с течением времени начинают разряжаться даже при отключенном от питания устройстве.

Проточные аккумуляторы, вырабатывающие электричество за счет химической реакции двух жидкостей, в последнее время начинают рассматриваться как альтернатива литий-ионным. Ученые из МГУ также обратились к разработке органических водорастворимых полимерных наногелей для таких аккумуляторов, которые обратимо окисляются и восстанавливаются, нетоксичны и довольно дешевы.

Жидкости в проточных батареях находятся в двух емкостях, они способны окисляться или восстанавливаться. Тонкая мембрана, разделяющая емкости, не дает жидкостям смешиваться, но пропускает содержащиеся в них ионы.

Жидкости у мембраны вступают в химическую реакцию друг с другом, в результате которой происходит или их окисление (они отдают электроны), или восстановление (принимают электроны), создающие электрический ток.

Проточные батареи более долговечны и экономичны, чем литий-ионные, — они выдерживают до 10 тысяч зарядок-разрядок, в то время как у литий-ионных предел наступает после тысячи циклов зарядки-разрядки. Также проточные батареи держат заряд дольше и не способны к самовозгоранию, как литий-ионные. Поэтому их можно использовать там, где нужен запас большого объема энергии, например, в промышленных и энергетических установках.

В существующих проточных аккумуляторах в состав жидкости входят дорогие и экологически вредные соли ванадия, поэтому ученые продолжали поиски подходящих для этих целей жидкостей. Внимание исследователей привлекли растворимые в воде полимеры за их дешевизну и абсолютную безвредность.

Свои органические водорастворимые полимерные наногели для проточных батарей московские ученые создавали в два этапа. Сначала были синтезированы наноразмерные полимерные сетки из отдельных водорастворимых органических молекул — мономеров.

На следующем этапе к ним подсоединили дополнительные группы атомов, которые могли в химических реакциях принимать и отдавать электроны. За счет этих групп, которые называются окислительно-восстановительными, и происходят зарядка и разрядка органических проточных аккумуляторов.

Проведя исследование созданных наногелей, физики определили, как влияет на скорость окисления и восстановления молекул различное содержание в них окислительно-восстановительных групп. Было экспериментально установлено, что для оптимальной работы проточных батарей таких групп должно быть около 50% от общего содержания органических молекул в растворе.

Участник проекта Елена Кожунова, доцент физфака МГУ рассказала о его результатах: «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 планах команды расширение «библиотеки» химических соединений, которые могут быть использованы для создания электроактивных наногелей, оптимизация состава гелей и изготовление прототипа проточного аккумулятора с активным веществом в виде водных растворов наногелей.

Результаты исследования, в котором принимали участие также ученые из ФИЦ химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН и Института биоорганической химии РАН, были представлены в статье «Наноархитектоника и электрохимические свойства редокс-активных наногелей для окислительно-восстановительных электролитов проточных аккумуляторов», опубликованной в журнале Electrochimica Acta.