Разработка углеродных электродов с функциональными группами для улучшения взаимодействия с полимерными редокс-системами

Целью проекта является разработка и исследование электродных материалов для проточных аккумуляторов, использующих редокс-активные полимерные соединения в качестве католита и анолита. Проточные батареи представляют собой перспективные источники энергии, востребованные для сетевых систем хранения благодаря высокой масштабируемости, долговечности и гибкости в установке. Однако традиционные проточные батареи, основанные на неорганических соединениях (например, ванадии и бромидах), сталкиваются с рядом эксплуатационных и экономических ограничений. Одной из основных проблем остается быстрый износ ионообменных мембран, необходимых для разделения католита и анолита, что повышает стоимость и снижает надежность таких систем. Проект нацелен на преодоление этих ограничений через использование редокс-активных полимеров, которые благодаря своей крупной молекулярной структуре не способны проникать через поры неионообменных мембран. Это позволяет применять более дешевые и надежные пористые мембраны (например, диализные) вместо дорогостоящих ионообменных мембран (таких как нафион). Полимерные редокс-соединения обладают потенциалом для применения в составе и католитов и анолитов, так как могут обеспечить высокую концентрацию активных групп, которые способны участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, что необходимо для создания проточных аккумуляторов с высокой емкостью. Однако их практическое применение ограничивается медленной кинетикой реакций на электродах: для снижения вязкости растворов таких полимеров предпочтительно, чтобы макромолекулы существовали в растворе в компактной конформации или в виде глобулярного агрегата. В такой конформации активными остаются только поверхностные редокс-группы, что замедляет перенос заряда, и, в результате, извлекается лишь малая доля теоретической ёмкости. Для улучшения кинетики переноса заряда проект предполагает исследование различных подходов к контролю взаимодействия «полимер-электрод». Электродные материалы на основе углерода и сами редокс-активные полимеры будут модифицироваться функциональными группами, способными эффективно взаимодействовать друг с другом. Этот процесс модификации направлен на «разворачивание» полимерных цепей и обеспечение доступа ко всем редокс-группам полимера, что повышает емкость и скорость окислительно-восстановительных реакций. При этом важно подобрать такие группы, взаимодействие которых с полимерными цепями достаточно сильное для улучшения кинетики переноса заряда, но при этом не приводит к необратимой адсорбции полимера на электроде. Оптимизация взаимодействия полимеров с поверхностью электродов является центральной задачей проекта, а ее успешное решение позволит повысить эффективность и долговечность проточных батарей, работающих на органических редокс-полимерах.