Politecnico di Milano pētnieku izstrādātā membrāna darbojas kā fluora jonu apmaiņas membrāna (FEM), pārvadot fluora jonus starp akumulatora elektrodiem. Šī pieeja varētu palīdzēt attīstīt alternatīvu akumulatoru ķīmiju, kurā netiek izmantots litijs.

Fluora jonu akumulatori piesaistījuši uzmanību tāpēc, ka fluors ir plaši pieejams elements, bet uz pārveides reakcijām balstītā ķīmija teorētiski ļauj sasniegt augstu enerģijas blīvumu. Vienlaikus būtisks šķērslis ir elektrolītu izstrāde, kas istabas temperatūrā spētu efektīvi pārvadīt fluora jonus.

Membrāna un tās darbības princips

Pētījumā izmantots polimēra elektrolīts, kura pamatā ir perfluorsulfonamīda jonomērs ar tetraalkilamonija fluorīda grupām. Lai uzlabotu fluora jonu kustību, pētnieki membrānu modificēja ar divu šķīdinātāju maisījumu — 1,3-dioksolānu (DOL) un dimetilsulfoksīdu (DMSO).

Šķīdinātāju maisījums liek jonomēram uzbriest, radot apstākļus fluora jonu pārvadei caur kvazicieto materiālu. Elektroķīmiskās impedances spektroskopijas mērījumi parādīja, ka membrānas jonu vadītspēja istabas temperatūrā sasniedza līdz 1,3 × 10−3 S/cm.

Pētnieki izmantoja arī molekulārās dinamikas simulācijas, lai noskaidrotu, kā membrānas struktūra un šķīdinātāju sastāvs ietekmē fluora jonu kustību. Simulācijas liecināja, ka DMSO ir nozīmīga loma kā polāram uzbriešanas aģentam.

Eksperimenti ar akumulatora šūnām

Pēc tam elektrolīts tika pārbaudīts eksperimentālās monētu tipa šūnās ar svina un svina fluorīda elektrodiem. Šūnās notika atgriezeniska fluorēšana un defluorēšana — procesi, kuru laikā fluora joni uzlādes un izlādes laikā iekļūst elektrodu materiālos un izkļūst no tiem.

Eksperimenti istabas temperatūrā uzrādīja stabilu darbību vairāk nekā 50 ciklos pie strāvas blīvuma 0,1C. Tas nozīmē, ka šūnas demonstrēja atkārtojamas elektroķīmiskās reakcijas, taču šie rezultāti vēl nav pierādījums pilnvērtīga komerciāla akumulatora veiktspējai.

Pētnieki membrānu raksturo kā pirmo šāda tipa akumulatoriem izstrādāto fluora jonu apmaiņas membrānu, kuras risinājumā izmantoti principi, kas jau pazīstami protonu apmaiņas un anjonu apmaiņas membrānās.

Iespējamā veiktspēja un drošība

Universitāte norāda, ka kvazicietā membrāna nav uzliesmojoša, kas enerģijas uzglabāšanas lietojumos varētu sniegt drošības priekšrocību. Tomēr monētu tipa šūnu testi paši par sevi nepierāda pilnas akumulatora sistēmas ugunsdrošību vai komerciālo veiktspēju.

Fluora jonu akumulatoriem nākotnē varētu būt pielietojums stacionārā enerģijas uzglabāšanā, elektrotransportā un aviācijā. To teorētiskais enerģijas blīvums varētu pārsniegt tradicionālo litija jonu tehnoloģiju rādītājus.

Pētnieki minējuši iespējamu enerģijas blīvumu aptuveni 600 Wh/kg, kamēr standarta litija jonu akumulatoriem tas ir aptuveni 150–250 Wh/kg. Šie skaitļi raksturo potenciālu, nevis eksperimentālajās šūnās demonstrētu veiktspēju.

Pētījumu koordinēja Maurizio Sansotera, elektroķīmisko raksturošanu vadīja Luca Magagnin, bet molekulārās dinamikas daļā piedalījās Giuseppina Raffaini. Raksta vadošais autors bija Federico Maria Scesa.

Neraugoties uz sasniegto progresu, fluora jonu akumulatori joprojām ir agrīnā attīstības stadijā. Pirms šī ķīmija varēs konkurēt ar nostiprinātām litija jonu sistēmām, pētniekiem jāuzlabo elektrodu materiāli, akumulatoru stabilitāte, ciklu skaits un kopējā veiktspēja.

Jaunā membrāna piedāvā iespējamu ceļu fluora jonu pārvadei istabas temperatūrā un var palīdzēt tuvināties praktisku akumulatoru izstrādei, kuros tiek izmantots cits lādiņa nesējs. Pētījums publicēts žurnālā Energy Storage Materials.