Литий-ионные батареи — главные игроки в мире аккумуляторов. Эта 50-летняя технология составляет электронную основу миллиардов мобильных устройств по всему миру и в настоящее время является лидером по использованию в электромобилях будущего. Но это не значит, что нет конкуренции.
Например, когда речь идет о хранении возобновляемой энергии, другие концепции, такие как железо-воздушные батареи (в которых для хранения энергии используется окисление), потенциально могут стать лучшим вариантом, чем более дорогой и взрывоопасный литий. Постоянно изучаются новые варианты. Например, идея протонных батарей, в которых используются протоны, выделяемые из воды, а затем соединяемые с углеродным электродом, начинает набирать популярность.
Это хорошая новость, поскольку протонные батареи не требуют редких элементов, таких как литий. А теперь ученые из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее хотят сделать их массовыми. «У протонных батарей много преимуществ», — сказал в заявлении для прессы Сичэн Ву, кандидат наук из UNSW в Сиднее. «Но нынешние материалы электродов, используемые для протонных батарей, некоторые из которых сделаны из органических материалов, а другие — из металлов, тяжелы», и до сих пор стоят довольно дорого.
Кроме того, углеродные электроды имеют ограниченный диапазон напряжения, и оба эти недостатка делают протонные батареи непригодными для замены литий-ионных. Однако ученые из UNSW в Сиднее разработали новый углеродный электрод под названием тетрааминобензохинон (TABQ), чтобы решить эту проблему. Сначала команда начала с небольшой молекулы под названием тетрахлорбензохинон (TCBQ), которая не обладает достаточно высоким окислительно-восстановительным потенциалом, чтобы быть катодом, и недостаточно низким потенциалом, чтобы быть анодом.
Поэтому команда Ву заменила четыре хлоро-группы в молекуле на аминогруппы (отсюда и изменение названия) и обнаружила, что более низкий потенциал делает TCBQ отличным кандидатом на роль анода и улучшает способность материала накапливать протоны. В паре с катодом из TCBQ полностью органическая батарея выдерживала 3500 циклов полной зарядки, сохраняла высокую емкость и хорошо работала в холодных условиях — полезный дополнительный эффект, ведь нам нужны аккумуляторные батареи, особенно в холодных и темных частях света, а литий теряет эффективность, когда становится слишком холодно. И еще один бонус: они не взрываются.
«Электролит в литий-ионных батареях состоит из соли лития — растворителя, который легко воспламеняется и поэтому вызывает серьезные опасения», — говорит Чуань Чжао, профессор UNSW, в заявлении для прессы. «В нашем случае оба электрода сделаны из органических молекул, а между ними находится водный раствор, что делает наш прототип батареи легким, безопасным и доступным».
Хотя TABQ является выдающимся анодом, команда признает, что TCBQ, используемый в катоде, который имеет не самый высокий окислительно-восстановительный потенциал, необходимо будет усовершенствовать. Вероятно, предстоит еще много работы, если у протонных батарей есть хоть какая-то надежда вытеснить литий с рынка в качестве основного аккумулятора «зеленой революции».
«Мы разработали очень хороший материал для анода», — говорит Ву, — «и дальнейшая работа перейдет на катодную часть. Мы продолжим разрабатывать новые органические материалы с более высоким диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов, чтобы увеличить выходное напряжение батареи. Чтобы расширить использование возобновляемых источников энергии, мы должны разработать несколько более эффективных технологий интеграции энергии, и наша разработка протонной батареи является многообещающим испытанием».