Металлы обычно используются в качестве активных материалов для отрицательных электродов в батареях. Недавно окислительно-активные органические молекулы, такие как молекулы на основе хинона и амина, были использованы в качестве отрицательных электродов в перезаряжаемых металловоздушных батареях с положительными электродами, восстанавливающими кислород. Здесь протоны и гидроксидные ионы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Такие аккумуляторы обладают высокой производительностью, близкой к максимальной емкости, которая теоретически возможна.
Кроме того, использование окислительно-активных органических молекул в перезаряжаемых воздушных батареях устраняет проблемы, связанные с металлами, включая образование структур, называемых «дендритами», которые влияют на производительность батареи и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Однако в этих батареях используются жидкие электролиты — точно так же, как и в батареях на основе металлов, — которые создают серьезные проблемы с безопасностью, такие как высокое электрическое сопротивление, эффект выщелачивания и воспламеняемость.
Теперь, в недавнем исследовании, опубликованном в международном издании Angewandte Chemie, группа японских исследователей разработала полностью твердотельную перезаряжаемую воздушную батарею (SSAB) и исследовала ее емкость и долговечность. Исследованием руководил профессор Кэндзи Миятаке из Университета Васэда и Университета Яманаси, а соавтором выступил профессор Кеничи Ояидзу из Университета Васэда.
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 из-за их стабильных и обратимых окислительно-восстановительных реакций в кислых условиях. Кроме того, они использовали протонпроводящий полимер под названием Нафион в качестве твердого электролита, тем самым заменив обычные жидкие электролиты.
Исследователи разработали полностью твердотельную перезаряжаемую воздушную батарею с органическим отрицательным электродом на основе дигидроксибензохинона и полимерным электролитом Nafion. Автор: Кэндзи Миятаке из Университета Васэда
«Насколько мне известно, пока не разработано ни одной воздушной батареи на основе органических электродов и твердого полимерного электролита», — говорит Миятаке.
После того, как SSAB был установлен, исследователи экспериментально оценили его характеристики заряда–разряда, скоростные характеристики и цикличность. Они обнаружили, что в отличие от обычных воздушных аккумуляторов, в которых используется металлический отрицательный электрод и органический жидкий электролит, SSAB не портится в присутствии воды и кислорода.
Кроме того, замена окислительно-восстановительной молекулы DHBQ на ее полимерный аналог PDBM позволила получить лучший отрицательный электрод. В то время как емкость разряда SSAB-DHBQ на грамм составляла 29,7 мАч, соответствующее значение SSAB-PDBM составляло 176,1 мАч при постоянной плотности тока 1 mAcm-2.
Исследователи также обнаружили, что кулоновская эффективность SSAB-PDBM составляла 84% при температуре 4°C, которая постепенно снижалась до 66% при температуре 101°C. В то время как разрядная способность SSAB-PDBM снизилась до 44% после 30 циклов, увеличив содержание протонпроводящего полимера в отрицательном электроде, исследователи смогли значительно повысить ее до 78%. Электронно-микроскопические изображения подтвердили, что добавление Нафиона улучшило производительность и долговечность электрода на основе PDBM.
Это исследование демонстрирует успешную работу SSAB, содержащего окислительно-активные органические молекулы в качестве отрицательного электрода, полимер, проводящий протоны, в качестве твердого электролита и положительный электрод диффузионного типа, восстанавливающий кислород. Исследователи надеются, что это проложит путь к дальнейшим достижениям. «Эта технология может продлить время автономной работы небольших электронных устройств, таких как смартфоны, и в конечном итоге внести свой вклад в создание общества, свободного от выбросов углерода», — заключает Миятаке.
