Проточные окислительно-восстановительные батареи считаются жизнеспособной технологией нового поколения для высокоэффективного хранения энергии. Эти батареи используют электролиты, химические компоненты в растворе, для хранения энергии. Например, проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия использует ионы ванадия, растворенные в серной кислоте.
Разделенные мембраной, в системе циркулируют два энергоаккумулирующих электролита. Емкость накопителя зависит от количества электролитов и может быть легко увеличена или уменьшена в зависимости от области применения. Чтобы зарядить или разрядить аккумулятор, ионы ванадия химически окисляются или восстанавливаются, в то время как протоны проходят через разделяющую мембрану.Мембрана играет центральную роль в этой системе: с одной стороны, она должна разделять электролиты, чтобы предотвратить потерю энергии из-за короткого замыкания.
С другой стороны, протонам необходимо пройти через мембрану, когда батарея заряжается или разряжается. Чтобы обеспечить эффективное коммерческое использование проточных окислительно-восстановительных батарей, мембрана должна сочетать обе эти функции, что до сих пор остается серьезной проблемой для разработчиков мембран.Текущий эталон — мембрана Nafion.
Эта мембрана химически стабильна и проницаема для протонов и хорошо известна для применения в топливных элементах с H2. Однако нафион и подобные полимеры набухают под воздействием воды и теряют свою барьерную функцию для ионов ванадия. Химики-полимеры пытаются предотвратить утечку ванадия, изменяя молекулярную структуру таких мембран.
Исследователи из Аахена и Сеула пришли к совершенно другому подходу: «Вместо этого мы используем гидрофобную мембрану. Эта мембрана сохраняет свои барьерные функции, поскольку она не набухает в воде», — объясняет профессор доктор технических наук. Маттиас Весслинг.
Он является заместителем директора по науке в Институте интерактивных материалов им. Лейбница и возглавляет кафедру инженерии химических процессов в RWTH Ахенском университете. «Мы были приятно удивлены, когда обнаружили в гидрофобном материале крошечные поры и каналы, которые, кажется, заполнены водой. Эти водные каналы позволяют протонам проходить через мембрану с высокой скоростью.
Ионы ванадия, однако, слишком велики, чтобы пройти через них. мембрана ". Диаметр каналов составляет менее двух нанометров, и барьерная функция кажется стабильной с течением времени: даже после одной недели или 100 циклов зарядки и разрядки ионы ванадия не могли пройти через мембрану. «Мы достигли КПД до 99 процентов, в зависимости от силы тока. Это показывает, что наша мембрана является настоящим барьером для ионов ванадия», — говорит Весслинг. При всех испытанных плотностях тока, от 1 до 40 миллиампер на квадратный сантиметр, ученые достигли КПД 85 процентов или более, тогда как обычные системы не превышают 76 процентов.
Эти результаты предполагают новую транспортную модель. Вместо набухания полимер с внутренней микропористостью, названный PIM, значительно конденсировался. Причиной этого явления могут быть молекулы воды, которые накапливаются в порах, но не в самом полимере. Исследователи надеются инициировать дальнейшие исследования для детального анализа этого эффекта.
Хотя это явление вызывает недоумение, ученые из Аахена и Сеула проведут дополнительные прикладные испытания: смогут ли они улучшить гидрофобную мембрану для применения в проточной окислительно-восстановительной батарее? И стабильна ли мембрана в долгосрочной перспективе?
Если это так, гидрофобная мембрана действительно может способствовать практическому использованию проточных окислительно-восстановительных батарей и аналогичных систем хранения энергии. Исследователи очень мотивированы идеей стабильного энергоснабжения при использовании устойчивых источников энергии, внося свой вклад в энергосистему и стабильность частоты.