Разработка органических проточных редокс-батарей нового типа, использующих в качестве анолитов сульфопроизводные антрахинона.

Проточные редокс-батареи (ПРБ) - это перспективный тип накопителей энергии для применения в узлах умных энергосетей. Среди различных видов ПРБ в последние годы особое внимание исследователей привлекли органические ПРБ на основе сульфопроизводных антрахинона - органических соединений, которые демонстрируют высокие скорости электронного переноса, мало склонны к паразитному кроссоверу, вариативны и могут быть синтезированы из доступного и дешевого сырья. Было показано, что антрахинон-бромные батареи могут демонстрировать мощности на уровне 1 Вт/см2 [Huskinson et al, A metal-free organic-inorganic aqueous flow battery, 2014, Nature, 505, 195-198; Q. Chen et al, A Quinone-Bromide Flow Battery with 1 W/cm2 Power Density, 2016, Journal of The Electrochemical Society, 163(1), A5010-A5013] и по совокупности остальных характеристик сопоставимы с лучшими образцами ПРБ, использующих другие токообразующие реакции, в том числе с уже коммерциализованными ванадиевыми ПРБ. При этом известно, что антрахинон-2,7-дисульфокислота (2,7-AQDS), используемая в этих работах в качестве анолита (электролита, омывающего отрицательный электрод), может быть получена в составе смеси с другими сульфокислотами антрахинона за счёт реакции сульфирования антрахинона олеумом. Такой путь делает антрахинон-бромные батареи особенно привлекательными с точки зрения экономики, однако на практике возможность использования неочищенных продуктов сульфирования антрахинона в качестве анолита ПРБ в открытых источниках нигде не показана, а в существующих антрахинон-бромных ПРБ (АБПРБ) используются чистые дисульфокислоты, полученные в значительно более сложном синтезе. Данные предварительных экспериментов показывают, что использование неочищенных продуктов сульфирования антрахинона олеума в качестве анолита АБПРБ возможно, однако сопряжено с различными фундаментальными вопросами. Во-первых, существует проблема кроссовера молекулярного брома, проникающего в отрицательную полуячейку с анолитом, что приводит к постепенному снижению емкости АБПРБ. Вторая фундаментальная проблема связана с образованием межмолекулярных хингидронных комплексов между окисленными и восстановленными формами AQDS, приводящему к значительному повышению вязкости анолита при промежуточных состояниях заряда батареи (СЗБ от 20 до 80 %) и, как следствие, увеличению затрат электроэнергии на прокачку электролитов. Предлагаемый проект посвящен решению этих проблем. В рамках него будет отработана методика синтеза сульфопроизводных антрахинона методом сульфирования антрахинона в олеуме с использованием продуктов данного синтеза в качестве анолитов ПРБ. Будет проведено исследование взаимосвязи между составом таких анолитов и ключевыми характеристиками ПРБ (удельная мощность, удельная ёмкость, КПД по энергии и так далее). Также будет исследована возможность снижения вязкости анолитов на основе реакционных смесей за счет использования сорастворителей и различных добавок. Данные эксперименты будут проводиться с использованием в качестве католита редокс-пары V+4/V+5. Это позволит с одной стороны оптимизировать состав органического анолита без учета негативных эффектов, связанных с кроссовером молекулярного брома, а с другой стороны даст возможность исследовать малоизученную, но перспективную антрахинон-ванадиевую проточную редокс-батарею (АВПРБ), характеристики которой могут быть сопоставимы с АБПРБ. Для минимизации негативного эффекта кроссовера в рамках данного проекты будет предложено два оригинальных решения. Во-первых, будет создан реактора очистки анолита для повышения ресурса функционирования АБПРБ, а во- вторых, проведен синтез и исследование новых бифункциональных электролитов на основе сульфопроизводных антрахинона для создания симметричной органической ПРБ. Таким образом, в рамках проекта будет комплексно исследована возможность использования сульфопроизводных антрахинона (в том числе смесей сульфокислот, полученных в результате проведения реакции сульфирования антрахинона олеумом) в качестве анолитов различных видов ПРБ - антрахинон-бромной, антрахинон-ванадиевой, а также симметричной органической ПРБ.