Технологии ионообменных мембран для электрохимических устройств

Истощение запасов углеводородных источников энергии, стремление к экологичности и сохранению окружающей среды побуждает человечество к поиску альтернативных источников энергии. В отличие от солнечных элементов и ветрогенераторов, эффективность работы которых зависит от погодных условий, электрохимические источники тока лишены этого недостатка, поэтому их можно рассматривать как одну из перспективных технологий альтернативной энергетики. Ожидается, что Российский рынок топливных элементов (ТЭ) и литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) в ближайшие годы ждет значительный рост, при этом главным направлением роста будет пассажирский и грузовой транспорт, а также беспилотные летательные аппараты. Наиболее перспективным типом ТЭ для транспортных систем являются ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной, которые характеризуются наиболее низкой рабочей температурой. Вид транспорта на основе ТЭ уже функционирует в Швейцарии (Stadler Rail), США (Hydrail), Китай (Sifang) и во Франции (Alstom Coradia iLint). В Японии налажено серийное производство водородных автомобилей (Toyota mirai). Разработанные в данном исследовании технологии получения мембран для топливных элементов существенно приблизят внедрение водородного транспорта в России, что будет способствовать улучшению экологической ситуации в мегаполисе (уменьшение выбросов) и повысит логистическую связанность районов города. Одним из самых дорогих компонентов ТЭ является ПОМ, которая обычно изготавливается на основе полимерного электролита. Перфторированные сополимеры тетрафторэтилена и перфторированных мономеров, содержащих сульфокислотную группу известны уже много лет, но их активное применение в ТЭ, сопряжено с рядом трудностей, связанных с недостаточной механической прочностью мембран и их химической деградацией, сокращающей удельную мощность ТЭ и время их эксплуатации. Стоит отметить, что на текущий период отсутствуют отечественные производители полимерных мембран для ТЭ, которые бы демонстрировали характеристики близкие к зарубежным аналогам. Поэтому разработка технологии получения перфторированных мембран с заданной ионной проводимостью, проницаемостью по водороду, механическими свойствами и стабильностью является актуальной задачей. Транспорт на основе металл-ионных аккумуляторов уже прочно вошел в повседневную жизнь города: электробусы, электромобили и электросамокаты получили широкок распространение. Для металл-ионных аккумуляторов развивается тенденция перехода от жидких электролитов к твердотельным на основе полимерных мембран для повышения уровня безопасности эксплуатации батарей за счет предотвращения теплового разгона. Тепловой разгон может происходить даже при небольших дорожно-транспортных происшествиях и приводить к возгоранию автотранспорта, создавая угрозы жизни водителя, пассажиров и пешеходов. В качестве полимерных электролитов используют композитные материалы с литий-проводящими солями и ионными жидкостями, вследствие низкой ионной проводимости чистых полимерных электролитов. В качестве полимерного материала перспективно использовать ионные полимеры, в том числе, перфторированные сульфосодержащие мембраны. На данном этапе на Российском и на зарубежных рынках не существует полностью твердотельных высокоемких металл-ионных батарей. Поэтому разработка технологии получения композитных мембран с заданной ионной проводимостью, числом переноса по литию, механикой и химической стабильностью является актуальной задачей. Таким образом, разработка отечественных ион-проводящих мембран, в том числе на основе перфторированных полимеров, является важной задачей развития критического направления развития РФ – электроэнергетики, и будет способствовать разработке экологичного и эффективного пассажирского и грузового транспорта, а также беспилотных летательных аппаратов.