Японские исследователи разработали полностью твердотельную так называемую «перезаряжаемую воздушную батарею» (SSAB), используя редокс-активные органические молекулы в качестве отрицательного электрода и протон-проводящий полимер в качестве твердого электролита, продемонстрировав улучшенные характеристики и долговечность нового типа устройства. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Металлы традиционно служат активными материалами для отрицательных электродов в батареях. Однако в наши дни наметился сдвиг в сторону использования окислительно-восстановительных органических молекул, таких как соединения на основе хинона и амина, в качестве отрицательных электродов в перезаряжаемых металло-воздушных батареях – SSAB. Здесь в окислительно-восстановительных реакциях участвуют протоны и гидроксид-ионы.
Такие аккумуляторы обладают высокой производительностью, близкой к максимально возможной теоретически возможной емкости. Кроме того, использование окислительно-восстановительных органических молекул решает ряд проблем, связанных с металлами, в том числе образование структур, называемых «дендритами», которые снижают производительность батареи и оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Но в существующих батареях SSAB-типа по-прежнему используются жидкие электролиты – как и в батареях на основе металлов, что создает серьезные проблемы с безопасностью, такие как высокое электрическое сопротивление, эффекты выщелачивания и воспламеняемость.
Теперь группа японских исследователей из Университета Васэда и Университета Яманаси под руководством профессора Кендзи Миятакэ впервые разработала полностью твердотельную батарею SSAB-типа.
Исследователи выбрали химическое вещество под названием 2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон (DHBQ) и его полимер поли(2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон-3,6-метилен) (PDBM) в качестве активных материалов для отрицательного электрода, в силу их стабильных и обратимых окислительно-восстановительных реакций в кислых условиях. Кроме того, в качестве твердого электролита использовался протонпроводящий полимер под названием нафион, тем самым заменив обычные жидкие электролиты.
После того, как образец нового типа SSAB был изготовлен, исследователи экспериментально оценили все его основные характеристики. Они обнаружили, что, в отличие от обычных металло-воздушных батарей, в которых используется металлический отрицательный электрод и органический жидкий электролит, новый тип SSAB не разрушается в присутствии воды и кислорода.
Кроме того, замена окислительно-восстановительной молекулы DHBQ на ее полимерный аналог PDBM позволила получить лучший по характеристикам отрицательный электрод. В то время как емкость разряда на грамм SSAB-DHBQ составляла 29,7 мАч, соответствующее значение SSAB-PDBM составило 176,1 мАч при той же постоянной плотности тока.
Исследователи также обнаружили, что кулоновская эффективность SSAB-PDBM составляла 84% при температуре 4°С, которая постепенно снижалась до 66% при температуре 101°С. В то время как разрядная емкость обычной SSAB снижалась до 44% после 30 циклов, за счет увеличения содержания протонпроводящего полимера в отрицательном электроде исследователи смогли значительно улучшить ее – до 78%. Электронно-микроскопические изображения подтвердили, что добавление нафиона улучшило характеристики и долговечность электрода на основе PDBM.
Итоги исследования демонстрируют успешную работу SSAB, включающего окислительно-восстановительные органические молекулы в качестве отрицательного электрода, протонпроводящий полимер в качестве твердого электролита и восстанавливающий кислород положительный электрод диффузионного типа. «Эта технология может продлить срок службы батареи небольших электронных гаджетов, таких как смартфоны, а также внести вклад в создание производственных циклов без выбросов углекислого газа», – отметил профессор Миятакэ.