Команда российских исследователей с участием представителей МИЭМ НИУ ВШЭ создала эффективные водные электролиты на основе насыщенных растворов солей. Электролиты демонстрируют высокие показатели электропроводности и электрохимической стабильности при меньшем расходе нетоксичных солей, что делает системы на их основе значительно дешевле классических неводных 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 т.д.). 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.
Сергей Доронин
Научный сотрудник департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ
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 тяжёлых элементов, что делает их более экологичными по сравнению с уже известными электролитами. Расход таких солей меньше, при этом значения электропроводности высокие. Однако 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 удаётся добиться энергоемкости уровня современного свинцового аккумулятора.
Исследователи протестировали электролиты на нескольких коммерческих электродных материалах, которые сегодня используются в аккумуляторах. Они продемонстрировали хорошие показатели заряда.
Наша разработка, я надеюсь, подстегнет научное сообщество в поиске новых систем для электролитов. Она может быть полезна в различных проектах зелёной химии и энергетики, помогая в решении проблем утилизации и создавая новые технологии производства экологически приемлемого источника энергии.
Сергей Доронин
Научный сотрудник департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ
IQ
Автор текста: Екатерина Корчагина
