Хіміки «поламали» симетрію у молекули електроліту і підвищили її розчинність в чотири рази.
Поки численні прихильники і противники електросамокатів всерйоз відкопали сокиру війни, а нечисленні власники електромобілів шукають уздовж доріг такі ж нечисленні зарядні станції, електрохіміки не втрачають час задарма і розробляють нові технології зберігання електроенергії. І якщо в мобільних пристроях різного розміру альтернативи літієвим акумуляторам на сьогоднішній день поки не дуже видно, то в ніші стаціонарних акумуляторів є цікаві рішення. Одне з них - проточні акумулятори.
Так називаються пристрої, в яких електричний струм виникає при контакті двох різних рідин - електролітів. Одна рідина виконує функцію окислювача, а інша - відновлювача. Тому ще одна назва таких акумуляторів - окислювально-відновлювальні або «редокс» акумулятори. Як же вони працюють?
Окислювач і відновитель - це молекули, які, реагуючи один з одним, обмінюються не атомами (точніше, не тільки ними), а ще й електронами. Якщо змішати в одній колбі окислювач з відновлювачем, то вся «електрохімія» в цій колбі і станеться - жоден електросамокат у світі від цього не підзарядиться. Але все змінюється, якщо між окислювачем і відновителем помістити мембрану, притому не просту, а іоноселективну. Така мембрана може пропускати, наприклад, тільки маленькі іони водню і затримувати іони покрупніше або нейтральні молекули, що плавають в розчині.
Але в іонах водню важливо не тільки те, що вони маленькі (а це ще залежить від того, з чим порівнювати), але і те, що вони заряджені позитивно. Носії негативних зарядів - електрони - можуть бігати по електричних проводах, створюючи електричний струм, а ось іонам така «дротова розкіш» і не снилася. У розчині роль своєрідного іонопроводу виконує та сама мембрана - вона ізолює окислювач і відновлювач один від одного, залишаючи тільки іонам водню можливість гуляти взад-вперед або вліво-вправо, кому як зручніше. Тому, щоб вийшов акумулятор, нам потрібно з'єднати окислювач і відновлювач двома типами «» провідників «»: іонним (мембраною) і електричним (звичайним проводом), тоді по іонопроводу попливуть іони, а по звичайному проводу побіжать електрони. І наш акумулятор буде виробляти струм.
Здатності гнати струм по проводах у такого акумулятора вистачить рівно до тих пір, поки всі молекули окислювача і відновлювача не прореагують один з одним. Після цього акумулятор потрібно заряджати - пропускати через нього електричний струм, щоб звернути електрохімічні процеси назад. Поки все виглядає дуже схоже на той же літієвий або навіть звичайний свинцево-кислотний акумулятор. Але у проточного акумулятора є кілька принципових відмінностей. Всі його елементи: ємності з електролітами, самі електроліти, блок з мембраною і електродами - це все фізично окремі деталі, які можна міняти або розташовувати як завгодно в просторі. Наприклад, хочете збільшити ємність акумулятора - просто під'єднайте додатковий бак з електролітами. Потрібно збільшити потужність - достатньо замінити мембранний блок на більш потужний. Електроліт «втомився» від багаторічної експлуатації - злійте старий і залийте новий. Такий акумулятор нагадує конструктор, з нього легко і просто збирати будь-які конфігурації. Це вигідно відрізняє його від літій-іонного акумулятора, який збирається раз і назавжди. І якщо він виходить з ладу, то «полагодити» його вже не можна.
Основний недолік проточних акумуляторів - їх низька питома ємність. Якщо не використовувати дорогі електроліти, то на кілограм окислювача і відновлювача припадає до десяти разів менше запасеної електроенергії, ніж у літієвому акумуляторі. Тому якщо навіть маса літієвого акумулятора становить для електромобіля проблему, то з проточним акумулятором легковий автомобіль і зовсім перетвориться на вантажну цистерну на колесах. Тож уділ проточних акумуляторів поки що - накопичувати електроенергію на сонячних або вітряних електростанціях. Тим не менш, хіміки не перестають удосконалювати склад електролітів для проточних акумуляторів, щоб зробити їх потужнішими, легшими і, що важливо, дешевшими.
Як пишуть дослідники в статті, опублікованій нещодавно в Nature Energy (https://www.nature.com/articles/s41560-021-00879-6), їм вдалося модифікувати молекулу одного з дешевих і простих в отриманні водно-органічних електролітів так, щоб її розчинність зросла в чотири рази, зберігши при цьому її стійкість до численних циклів заряду/розряду акумулятора. Оскільки місткість проточного акумулятора залежить від обсягу розчинів електроліту (тобто фактично від кількості молекул окислювача і відновлювача), то чим більш концентрованим буде їх розчин, тим більше буде ємність акумулятора при однаковому обсязі резервуарів для розчинів. Проблема з концентрованими електролітами полягає в тому, що їх компоненти (наприклад, органічні комплекси металів), по-перше, не дуже-то добре розчиняються, а по-друге, зі зростанням концентрації знижується їх стійкість, через що падає термін служби електроліту.
Дослідники у своїй роботі застосували не зовсім стандартний підхід для підвищення розчинності молекули електроліту. Замість того, щоб «пришивати» до неї різні гідрофільні хімічні групи (вони підвищують розчинність), вони просто зробили цю молекулу менш симетричною. У своєму вихідному вигляді вона схожа на квітку, в якій пелюстки - це похідні біпірідіна, а в центрі знаходиться атом заліза. Якщо від такої «квітки» відірвати одну пелюстку і замінити її на дві ціаногрупи, то у молекули, як виявилося, різко зростає розчинність. І нехай поки що питома ємність проточного акумулятора на подібному типі електроліті становить всього 12.5 Вт * год на літр (аналогічна величина для літієвого акумулятора буде більше 100 Вт * год), тривалий термін служби, простота отримання і заміни електроліту робить його потенційним кандидатом на роль майбутньої робочої конячки в системах накопичення енергії.