| Аннотация |
Проточные батареи считаются перспективными электрохимическими источниками и накопителями тока с хорошей и раздельной масштабируемостью мощности и энергии. Они особенно привлекательны как для использования в комплексе с источниками альтернативной энергии (ветер, солнце, геотермальная энергия) в стационарных приложениях: в частных домохозяйствах, на производстве, так и для сглаживания колебаний в выработке и потреблении энергии на электростанциях. В проточных батареях окисленная и восстановленная формы реагентов, участвующих в электрохимических реакциях на электродах, присутствуют в растворенном виде или в виде дисперсии. В последнее время значительно возросло число исследований, в которых в качестве активных соединений берутся низкомолекулярные органические вещества и полимеры. Использование органических соединений (желательно водорастворимых) вместо зачастую токсичных и дорогостоящих переходных металлов (чаще всего – ванадия) может упростить и удешевить производство проточных батарей, а также повысить их экологическую безопасность. Усилия многих научных групп из разных стран сконцентрированы на поиске оптимальных химических компонентов для создания проточных батарей на основе полимеров, на разработке оптимальных конформаций полимерных носителей и на развитии моделирования процессов, происходящих в таких системах. Таким образом, усовершенствование технологии создания проточных батарей представляется актуальной и чрезвычайно перспективной задачей. Во время выполения Проекта 2022 нами было установлено, что размер полимерных макромолекул является важной характеристикой, влияющей на кинетику передачи заряда от полимерного носителя на электрод и транспорт полимера в порах электрода. Существенное уменьшение размера микрогелей приведет к повышению коэффициента диффузии коллоидных частиц в системе, и, соответственно, повысит эффективность электрохимических реакций, а также упростит прохождение раствора через каналы электрохимической ячейки. Мы предполагаем, что переход от микрогелей с размером порядка 200-500 нанометров, что было реализовано в Проекте 2022, к более компактным наногелям и разветвленным полимерам с размерами около 50 нм, при сохранении такого же химического состава, приведет к существенному улучшению эффективности работы проточной батареи. Поэтому в данном проекте, являющемся логическим продолжением Проекта 2022, мы планируем рассмотреть в качестве нового класса активного компонента проточных батарей электроактивные наногели и случайно-разветвленные полимеры. С учетом выводов и методик, полученных за время выполнения Проекта 2022, будет проведен синтез редокс-активных полимерных носителей катодного и анодного типов, проведена оптимизация компонентов электрохимической ячейки проточной батареи и условий ее функционирования, выполнены детальные исследования подвижности редокс-центров в полимерных сетках для выявления наиболее эффективных конформаций. Именно полимерные системы оптимальной архитектуры могут обеспечить три основных и отчасти противоречащих друг-другу требования: 1) сохранить низкую вязкость при высокой концентрации, 2) обеспечить несмешиваемость компонент электролитов, разделенных простой пористой мембраной и 3) обеспечить эффективный обмен зарядом полимера и электрода. Все экспериментальные работы будут сопровождаться теоретической поддержкой в виде компьютерного моделирования аналогичных систем. Нужно отметить, что мировых аналогов запланированных исследований практически не существует, все работы будут проводиться впервые.
|
