Исследование функционализированных пористых углеродных материалов в проточных ванадиевых батареях

Актуальность работы. Увеличение потребления возобновляемой энергии требует развития устройств, которые бы позволили эффективно и дешево запасать энергию и передавать ее потребителю. Ванадиевые проточные батареи (ВПБ) могут стать такими устройствами. При использовании ВПБ получаемая мощность не зависит от запасенной энергии, а сама система является относительно дешевой.

---

Доверьте написание магистерской диссертации в Хабаровске профессианалам Work5.

---

В настоящее время в ВПБ в основном используются фторированные мембраны Нафион. Такие мембраны демонстрируют высокую протонную проводимость, но являются низкоселективными и очень дорогими. В настоящее время происходит бурный рост автономной энергетики из-за интенсивного развития систем распределенной энергетики. Среди электроаккумулирующих систем наиболее востребована литий-ионная система, включающая интеркаляционные электроды на основе разнообразных твердых соединений лития. Цель работы – исследование функционализированных пористых углеродных материалов в проточных ванадиевых батареях. Задачи: - рассмотреть основные понятия проточных аккумуляторов; - описать конструкцию проточных батарей; - проанализировать проточные ванадиевые батареи; - определить пористые углеродные материалы в проточных редокс-батареях. Объект исследования – проточные ванадиевые батареи. Предмет исследования – пористые углеродные материалы. Методы исследования – анализ, обобщение полученной информации. Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы.  

В результате проделанной работы решены следующие задачи: рассмотрены основные понятия проточных аккумуляторов; описана конструкция проточных батарей; проанализированы проточные ванадиевые батареи; определены пористые углеродные материалы в проточных редокс-батареях. Конструкция редокс-проточных батарей обеспечивает значительное преимущество перед твердотельными аккумуляторными батареями за счет разделения энергии и выходной мощности: первая определяется размером бака и концентрацией электролита, вторая – площадью электрода. Водные органические окислительновосстановительные батареи используют водорастворимые органические и металлоорганические окислительно-восстановительные молекулы, состоящие только из доступных органических соединений. В основном это производные хинона, антрахинона и ализарина. Их высокая растворимость в воде, хорошо разделенные потенциалы окисления-восстановления, практически исключающие расщепление воды, стабильность, безопасность и низкая стоимость в масштабах массового производства являются наиболее важными характеристиками для новых водных органических электролитов. Помимо этого, органический подход освобождает окислительно-восстановительную химию от ограничений, связанных с небольшим числом элементарных окислительно-восстановительных пар неорганической природы, которые реально могут быть использованы в проточных редокс-батареях. Пока органические проточные редокс-батареи все же уступают ванадиевым и другим неорганическим батареям по своим эксплуатационным параметрам. Это сдерживает их развитие в промышленном масштабе. Но результаты, которые продемонстрированы в настоящем обзоре, допускают их дальнейшее усовершенствование и возможнуюв будущем коммерциализацию. Гибридные батареи, где используются органические и неорганические материалы, показали довольно хорошие результаты и вполне могут заменить в ближайшей перспективе неорганические редокс-батареи. Оптимизация технических и эксплуатационных параметров, таких как конструкция электрода, мембранный сепаратор, должна привести к значительному улучшению производительности и способствовать достижению высокой плотности мощности. Перспективным направлением в разработке проточных батарей на основе органических редокс-систем является концепция симметричных батарей, в которых окислительно-восстановительный материал принимает участие как на отрицательном электроде (окисляется), так и на положительном электроде (восстанавливается). Эта методология позволяет создавать твердотельные симметричные редокс-батареи для накопления электроэнергии. Использование же органических веществ в симметричном элементе расширяет ресурсы недорогих окислительно-восстановительных материалов для водных аккумуляторных батарей, а простая конструкция элемента позволит в будущем оптимизировать работу в направлении безопасной, дешевой, легкой и гибкой электроники.  

1. Годяева М.В. Проточные батареи на основе органических редокс-систем для хранения электрической энергии. Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, № 2. С. 59– 85 2. Chen Q., Gerhardt M., Hartle L., Aziz M. J. A Quinone-bromide Flow Battery with 1 W/cm2 Power Density // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 1. P. 10–119. 3. Ji Y., Goulet M-A., Pollack D. A., Kwabi D. G., Jin S., Porcellinis D., Kerr E. F., Gordon R. G., Aziz M. J. A phosphonatefunctionalized quinone redox flow battery at near-neutral pH with record capacity retention rate // Advanced Energy Materials. 2019. Vol. 9, № 12. P. 19-139. 4. Gerhardt M. R., Tong L., Gómez-Bombarelli R., Chen Q., Marshak M. P., Galvin C. J., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Anthraquinone derivatives in aqueous flow batteries // Advanced Energy Materials. 2017. Vol. 7, № 8. P. 16-188. 5. Gao H., Goodenough J. B. An aqueous symmetric sodium-ion battery with NASICON-structured Na3MnTi(PO4)3 // Angewandte Chemie International Edition. 2016. Vol. 128, № 41. P. 12960–12964. 6. Kwabi D. G., Lin K., Ji Y., Kerr E. F., Goulet M.-A., De Porcellinis D., Tabor D. P., Pollack D. A., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Alkaline quinone flow battery with long lifetime at pH 12 // Joule. 2018. Vol. 2, № 9. P. 18–106. 7. Kwabi D. G., Ji Y., Aziz M. J. Electrolyte Lifetime in Aqueous Organic Redox Flow Batteries : A Critical Review // Chemical Reviews. 2020. Vol. 120, № 14. P. 6467–6489. 8. Leung P., Shah A. A., Sanz L., Flox C., Morante J. R., Xu Q., Mohamed M. R. Recent developments in organic redox flow batteries : A critical review // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 360. P. 243–283. 9. Lin K., Chen Q., Gerhardt M., Tong L., Kim S., Eisenach L., Valle A. Alkaline quinone flow battery // Science. 2015. Vol. 349, № 6255. P. 1529–1532. 10. Ma T., Pan Z., Miao L., Chen C., Han M., Shang Z., Chen J. Porphyrin-based symmetric redox-flow batteries towards coldclimate energy storage // Angewandte Chemie International Edition. 2018. Vol. 130, № 12. P. 3212–3216. 11. Obama B. The irreversible momentum of clean energy // Science. 2017. Vol. 355. P. 126–129. 12. Potash R. A., McKone J. R., Conte S., Abruña H. D. On the benefits of a symmetric redox flow battery // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 3. P. 338–344. 13. Perry M. L., Darling R. M., Zaffou R. High Power Density Redox Flow Battery Cells // ECS Transactions. 2013. Vol. 53, № 7. P. 7–16. 14. Song Y., Buettner G. R. Thermodynamic and kinetic considerations for the reaction of semiquinone radicals to form superoxide and hydrogen peroxide // Free Radical Biology & Medicine. 2010. Vol. 49, № 6.P. 919–962. 15. Suga T., Sugita S., Ohshiro H., Oyaizu K., Nishide H. p- and n-Type bipolar redox-active radical polymer : Toward totally organic polymer-based rechargeable devices with variable configuration // Advanced Materials. 2011. Vol. 23, № 6. P. 751–754. 16. Skyllas-Kazacos M., Chakrabarti M. H., Hajimolana S. A., Mjalli F. S., Saleem M. Progress in Flow Battery Research and Development // Journal of the Electrochemical Society. 2011. Vol. 158, № 8. P. 55–79. 17. Tong L., Jing Y., Gordon R., Aziz M. J. Symmetric All-Quinone Aqueous Battery // ACS Applied Energy Materials. 2019. Vol. 2. P. 4016–4021. 18. Wu M. C., Zhao T. S., Wei L., Jiang H. R., Zhang R. H. Improved electrolyte for zinc-bromine flow batteries // Journal of Power Sources. 2018. Vol. 384. P. 232–239. 19. Xu Y., Wen Y., Chenga J., Yanga Y., Xie Z., Cao G. Novel organic redox flow batteries using soluble quinonoid compounds as positive materials // Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference, IEEE Publication. 2009. Vol. 13. P. 24–26. 20. Yang Z., Tong L., Tabor D., Beh E., Goulet M., Aziz M., Gordon R. Alkaline Benzoquinone Aqueous Flow Battery for Large-Scale Storage of Electrical Energy // Science Advances News. 2017. Vol. 8, № 8. P. 8–17. 21. Yang B., Hoober-Burkhardt L. E., Krishnamoorthy S., Murali A., Surya Prakash G. K., Narayanan S. R. High-Performance Aqueous Organic Flow Battery with Quinone-Based Redox Couples at Both Electrodes // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 7. P. 1442–1449. 22. Yang J. H., Yang H. S., Ra H. W., Shim J., Jeon J. Effect of a surface active agent on performance of zinc /bromine redox flow batteries : Improvement in current efficiency and system stability // Journal of Power Sources. 2015. Vol. 275. P. 294–297. 23. Zhou L., Zhao T. S., An L., Zeng Y. K., Zhu X. B. Performance of a vanadium redox flow battery with a VANADion membrane // Applied Energy. 2016. Vol. 180, № 15. P. 353–359. 24. Zeng Y. H., Zhao T. S., Zhou X. L., Zeng L., Wei L. The effects of design parameters on the charge-discharge performance of iron-chromium redox flow batteries //Applied Energy. 2016. Vol. 182, № 15. P. 204–209. 25. Zeng Y. K., Zhao T. S., Zhou X. L., Zou J., Ren Y. H. A hydrogen-ferric ion rebalance cell operating at low hydrogen concentrations for capacity restoration of ironchromium redox flow batteries // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 352. P. 77–82.