В последние годы исследователи изучают потенциал широкого спектра новых аккумуляторных технологий, включая так называемые проточные окислительно-восстановительные батареи. Проточные окислительно-восстановительные батареи, также известные как проточные батареи, представляют собой аккумуляторные элементы, которые генерируют электричество и сохраняют энергию посредством так называемых окислительно-восстановительных химических реакций.
Полисульфиды являются активными материалами, которые могут быть особенно перспективны для разработки проточных батарей из-за их дешевизны и распространенности на Земле. Однако, несмотря на свои выгодные характеристики, эти материалы демонстрируют вялую окислительно-восстановительную реакцию или реакцию восстановления. До сих пор это ограничивало как энергоэффективность , так и удельную мощность проточных батарей на основе полисульфидов.
Исследователи из Китайского университета Гонконга недавно представили новый молекулярный катализатор , который может помочь повысить производительность проточных батарей на основе полисульфидов. Этот катализатор, представленный в Nature Energy, одновременно долговечен и активен, что обеспечивает быстрые окислительно-восстановительные реакции внутри аккумуляторного элемента.
«Идея внедрения редокс-активных молекулярных катализаторов впервые пришла к нам во время мозгового штурма с командой, на котором мы обсуждали узкие места на пути коммерциализации RFB на основе полисульфидов», — И-Чун Лу, один из исследователей. Кто проводил исследование, рассказал Tech Xplore.
«В то время мы только что завершили еще один проект по решению проблемы «мертвого MnO 2 » в цинк-марганцевых батареях с использованием йодистого медиатора. Основываясь на этом опыте, мы предположили, что введение редокс-активных молекулярных катализаторов может решить проблему кинетики восстановление полисульфида».
Изоаллоксазин и хинон — два вещества, часто используемые в энергетике, поскольку они, как известно, эффективно переносят электроны. В живых клетках эти молекулы могут умело переносить электроны в так называемой дыхательной цепи, что в конечном итоге и производит энергию. Новый молекулярный катализатор, представленный Лу и его коллегами, основан на соединении, полученном из изоаллоксазина, а именно натрийфосфате рибофлавина (FMN-Na).
«FMN-Na, производное изоаллоксазина, является идеальным кандидатом для катализа восстановления полисульфида благодаря его быстрой окислительно-восстановительной кинетике и подходящему окислительно-восстановительному потенциалу», — объяснил Лу. «Во время процесса зарядки молекулярный катализатор получает электроны от электрода и восстанавливается, образуя восстановленный ФМН. Этот комплекс впоследствии передает электроны полисульфиду посредством спонтанной химической реакции, в ходе которой молекулярный катализатор окисляется обратно в исходное состояние (окисленный- ФМН)».
Стратегия разработки, предложенная этой группой исследователей, может улучшить возможности электрохимического восстановления полисульфидов, что, в свою очередь, может облегчить окислительно-восстановительные реакции внутри аккумуляторных элементов на основе полисульфидов. Это достигается благодаря быстрой окислительно-восстановительной кинетике молекулярного катализатора FMN-Na, который они идентифицировали.
«Большинство известных катализаторов для водных полисульфидных проточных батарей представляют собой твердые электрокатализаторы, то есть гетерогенный катализ с использованием твердого вещества для катализатора реакции в растворе (т.е. реакции восстановления полисульфида)», — сказал Лу.
«В отличие от гетерогенного катализа , молекулярный катализ не ограничивается активными центрами электрода и поверхностью катализатора, поскольку как реагент (S 4 2– ), так и катализатор (FMN-Na) растворены. Наша работа показывает, что гомогенный катализ является эффективным подход к решению проблемы вялой кинетики полисульфида».
В ходе экспериментов было обнаружено, что элементы проточной батареи, содержащие катализатор команды, работают хорошо, разлагаясь со скоростью 0,00004% за цикл после работы в течение 2000 циклов при токе 40 мАсм- 2 . Чтобы продемонстрировать масштабируемость катализатора, Лу и его коллеги использовали его для создания стопки ячеек площадью 100 см 2 .
Как показали первоначальные результаты исследователей, их подход к улучшению производительности проточных батарей на основе полисульфида также может быть масштабирован для создания более крупных систем проточных батарей . Будущие исследования могут помочь в дальнейшей оценке и подтверждении потенциала этого подхода путем тестирования производительности различных аккумуляторных элементов , содержащих катализатор FMN-Na.
«Мы считаем, что этот подход может быть широко применен к другим системам потока», — добавил Лу. «Сейчас мы работаем с нашим промышленным партнером Luquos Energy Ltd. над дальнейшими исследованиями, разработками и коммерциализацией».
