Ученые из Австралии создали лучшую протонную батарею — она дешевая, безопасная, долговечная и не замерзает
Когда атом водорода теряет свой электрон, он становится протоном — ионом или частицей с положительным зарядом. Это самая легкая и подвижная положительно заряженная частица во Вселенной, из которой можно создать более объемный и мощный аккумулятор, чем литий-ионный. Перед учеными стоит задача разработать более совершенные электроды (аноды и катоды) для протонных батарей, с помощью которых можно отказаться от использования редкого, пожароопасного и дорогого лития.
Исследователи из Австралии, представляющие химический факультет Университета Нового Южного Уэльса (UNSW Chemistry) и Австралийскую организацию ядерной науки и технологий (ANSTO), успешно разработали и протестировали органический материал, способный хранить протоны, и использовали его для создания перезаряжаемого протона. аккумулятор в лабораторных условиях.
Как отмечают ученые, в настоящее время в мире нет анодов и катодов с подходящими характеристиками для использования в протонных батареях. Для своей разработки они берут за основу соединение тетрахлорбензохинон (TCBQ), в состав которого входят четыре хлоргруппы. Это соединение состоит из легких молекул, но имеет умеренный окислительно-восстановительный потенциал. С другой стороны, для батареи окислительно-восстановительный потенциал анода должен быть как можно более отрицательным, чтобы улучшить перенос электронов, а катода — как можно более положительным. Поэтому чистый TCBQ непригоден и его структуру необходимо модифицировать.
В ходе экспериментов ученые заменили четыре группы хлора на четыре аминогруппы, превратив TCBQ в молекулу тетрааминобензохинона (ТАБК). Добавление аминогрупп существенно улучшило способность анода накапливать протоны и уменьшило диапазон его окислительно-восстановительного потенциала. Сегодня синтез TABQ остается дорогостоящим, но за счет использования больших количеств легких элементов экономическая эффективность разработки станет оправданной в будущем.
«Мы создали новый материал с низкой молекулярной массой и высокой способностью хранить протоны. Используя этот материал, мы успешно разработали полностью органическую протонную батарею, которая эффективна как при комнатной температуре, так и при минусовых температурах».
говорят авторы исследования
Прототип протонной батареи выдержал 3500 циклов полной зарядки с последующей полной разрядкой своей емкости. Он также демонстрирует высокую емкость и стабильную работу при низких температурах, что делает его перспективным решением для хранения возобновляемой энергии.
«Электролит в литий-ионном аккумуляторе состоит из соли лития и растворителя, который легко воспламеняется и вызывает серьезные опасения. В нашем случае оба электрода состоят из органических молекул, между которыми находится водный раствор, что делает нашу батарею легкой, безопасной и доступной.
авторы пишут
И последнее, но не менее важное: новый материал(ТАБК) решает проблему безопасной транспортировки водорода. Молекулярный водород химически активен, при этом в виде ионов находится в стабильной форме. Богатый протонами материал можно безопасно транспортировать в нужное место, не беспокоясь об утечке водорода.
