Российские ученые предложили новый тип экологичных водных электролитов для металл-ионных аккумуляторов

Исследование опубликовано в The Journal of Physical Chemistry C. Электролиты — вещества, расплавы или растворы которых проводят электрический ток. Их используют в аккумуляторах, где энергия от химических реакций преобразуется в электрическую. Часто электролиты для металл-ионных аккумуляторов состоят из солей щелочных металлов, растворенных в органических соединениях (диметилкарбонате, этиленкарбонате и так далее).

Но в последнее десятилетие популярны водные электролиты: в отличие от органических, они не нуждаются в тщательном осушении исходных материалов и соблюдении сверхнизкой влажности в помещениях для сборки.

«С практической точки зрения замена органического растворителя на водную среду позволит снизить стоимость производства и повысить безопасность эксплуатации подобных устройств», — поясняет научный сотрудник департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ Сергей Доронин.

Но у использования водных электролитов есть проблема — высокая электрохимическая активность воды. На электродах возникают побочные реакции выделения кислорода и водорода, которые приводят к быстрой деградации электродных материалов и выходу аккумулятора из строя. Поэтому выбор подходящих электродов ограничен и энергоемкость аккумуляторов на водных электролитах остается низкой.

Один из способов решения проблемы низкой энергоемкости водных электролитов — использование насыщенных растворов солей. Авторы статьи предложили два варианта растворов: на основе пропионата (соль пропионовой кислоты) натрия и на основе смеси формиатов (соли муравьиной кислоты) лития и калия. Это простые соли, без фтора и тяжелых элементов, что делает их более экологичными по сравнению с уже известными электролитами. Расход этих солей меньше, при этом значения электропроводности высокие. Это первое применение подобных растворов в качестве электролитов для водных аккумуляторов или суперконденсаторов.

Насыщенные растворы солей увеличивают окно потенциалов — наиболее важную характеристику, которая определяет стабильность электролита. В свою очередь увеличение окна потенциалов электролитов позволяет выбирать электродные материалы с наибольшей разностью потенциалов, что приводит к увеличению мощности и заряда аккумулятора. По самым скромным оценкам, при окне потенциалов электролита в 1,5‒2,5 вольта и использовании современных электродов удается добиться энергоемкости уровня современного свинцового аккумулятора.

Исследователи протестировали электролиты на нескольких коммерческих электродных материалах, которые сегодня используются в аккумуляторах. Они демонстрируют хорошие показатели заряда.

«Наша разработка, я надеюсь, подстегнет научное сообщество в поиске новых систем для электролитов. Она может быть полезна в различных проектах зеленой химии и энергетики, помогая в решении проблем утилизации и создавая новые технологии производства экологически приемлемого источника энергии», — комментирует Сергей Доронин.

НИУ ВШЭ

140 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — одно из крупнейших и самых востребованных высших учебных заведений России, стран СНГ и государств Восточной Европы. В НИУ ВШЭ представлены все уровни образовательной подготовки (от лицея для школьников до аспирантуры и MBA) по широкому спектру направлений в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также творческих специальностей. Научные подразделения ВШЭ — институты, центры, лаборатории, возглавляемые ведущими российскими и зарубежными учеными, ориентированы как на фундаментальные исследования, так и на прикладные разработки по заказам федеральных и региональных органов власти, министерств и ведомств, российских и зарубежных компаний. Высшая школа экономики стабильно занимает высокие места в предметных рейтингах Times Higher Education (THE) и QS, а также является единственным российским университетом в топ-50 рейтингов молодых университетов сразу двух агентств.

Показать больше