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

354 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше