Способность пропускать определенные ионы с практически нулевым трением может значительно улучшить аккумуляторы, топливные элементы и другие электрохимические устройства.
Новая технология обещает значительно повысить производительность батарей, топливных элементов и электролитов, с помощью которых из электричества получают экологически чистый водород и другие виды топлива. Эта технология, используемая в "проточных батареях", которые становятся обычными для хранения возобновляемой энергии, в пять раз увеличивает скорость, с которой батарея может отдавать энергию. Такой скачок в производительности может резко снизить стоимость хранения зеленой энергии для использования в сети, что облегчит обществу полный переход от ископаемых видов топлива к возобновляемым источникам энергии.
"Это действительно захватывающая разработка", - считает Майкл Азиз, эксперт по проточным батареям из Гарвардского университета. Янг Му Ли, электрохимик из Университета Ханьянг, согласен с ним и говорит, что преимущества могут иметь широкое распространение. "Это может быть применимо и для других устройств".
По своей сути батареи, топливные элементы и другие электрохимические устройства похожи друг на друга. В них обычно располагаются два электрода, отделенные друг от друга мембраной, которая регулирует поток несущих заряд ионов взад и вперед через жидкий электролит. Когда эти устройства заряжаются или разряжаются, электроны перемещаются по внешнему проводнику, а несущие заряд ионы проходят через мембрану от одного электрода к другому, чтобы уравновесить электрические заряды. Мембрана играет важнейшую роль, выступая в качестве молекулярной задвижки, пропускающей только определенные ионы и блокирующей все остальные. Но на практике эти "привратники" часто слишком усердствуют, замедляя прохождение ионов, которые они должны пропускать, что снижает производительность устройства.
Например, в варианте проточных батарей, называемых водными органическими окислительно-восстановительными батареями, мембраны должны позволять положительно заряженным ионам калия проходить туда и обратно между двумя сторонами мембраны, одновременно блокируя прохождение органических соединений, которые могут привести к нарушению работы батареи. Традиционные мембраны, изготовленные из органических полимеров, хорошо справляются с задачей обеспечения движения только ионов калия вперед и назад. Но полимеры в этих мембранах постоянно колеблются, в результате чего ионы наталкиваются на них и замедляют прохождение.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи под руководством Чжэнцзиня Яна, химика из Университета науки и технологий Китая, изготовили серию мембран из полимера, известного как триазиновый каркас. Полимер способен собираться в жесткий каркас, изобилующий крошечными порами, которые достаточно малы, чтобы исключить прохождение через них всех молекул воды и мельчайших ионов. Наличие молекул воды - это хорошо, так как они помогают заряженным ионам проскользнуть через поры.
Чтобы еще больше ускорить этот транспорт, Янг и его коллеги модифицировали исходные материалы триазина таким образом, чтобы жесткие поры были выстланы отрицательно заряженными сульфонатными группами. Эти группы действуют как молекулярный комбайн, захватывая положительно заряженные ионы калия и быстро передавая их следующему по очереди связанному сульфонату, помогая ионам проскочить через мембрану практически беспрепятственно.
Когда исследователи использовали лучшую итерацию своей новой мембраны для создания водной органической редокс-батареи, более быстрый поток ионов позволил батареям разряжаться и заряжаться в пять раз быстрее, чем аналогичные батареи с традиционной мембраной, сообщили авторы в журнале Nature. "Мы надеялись на значительное улучшение мембран для проточных батарей", - говорит Ян. "Похоже, что это именно так".
Однако, по словам Майкла Гивера, химика из Тяньцзиньского университета, новым мембранам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы доказать свою прочность и надежность для промышленного использования. Ли отмечает, что хотя химический состав триазиновых соединений делает их идеально подходящими для работы в воде, они могут не выдержать воздействия кислотных или щелочных электролитов, используемых в других электрохимических устройствах. Тем не менее, по его словам, другие исследователи смогут использовать те же принципы для разработки мембран для других целей и тем самым улучшить работу широкого спектра зеленых энергетических технологий.
Это означает, что новые мембраны, скорее всего, не появятся в первую очередь в потребительских товарах, таких как батареи для мобильных телефонов. Но это достижение может помочь решить одну из самых больших проблем, связанных с переходом общества на возобновляемые источники энергии, а именно обеспечение энергией, когда солнце не светит, а ветер не дует. Более дешевые и эффективные мембраны означают, что меньшие по размеру и более дешевые батареи могут хранить такое же количество энергии для обеспечения потребителей в течение ночи. Это также может снизить стоимость электролитов, которые могут преобразовывать возобновляемую электроэнергию в водород и другие виды топлива, которые можно хранить в течение месяцев или лет, и снизить стоимость топливных элементов, преобразующих это топливо обратно в электроэнергию, когда это необходимо.
Неплохо для технологии, которую большинство из нас никогда не увидит.
