Полімерна мембрана забезпечила 50 циклів для фторид-іонних акумуляторів

07 листопада 2026 р. 11:04

07 листопада 2026 р. 11:04

Команда дослідників з Політехнічного університету Мілана розробила полімерну мембрану, яка пропускає фторид-іони за кімнатної температури та забезпечила стабільну роботу експериментальних акумуляторних елементів більш ніж у 50 циклах. Про результати роботи повідомляє видання Interesting Engineering .

Нова квазітверда гелеподібна мембрана виконує роль фторид-обмінної мембрани (FEM), транспортує фторид-іони між електродами та усуває одну з головних перешкод для розвитку фторид-іонних акумуляторів наступного покоління. Такі системи розглядають як альтернативу літієвим батареям, оскільки фтор є поширеним елементом, а хімія перетворення в таких акумуляторах теоретично дозволяє досягти високої енергетичної щільності.

Як влаштована нова мембрана

У дослідженні представлено полімерний електроліт на основі перфторсульфонової амідної іономерної матриці, що містить тетраалкіламонієві фторидні групи. Саме ця структура забезпечує перенос фторид-іонів усередині матеріалу.

Щоб покращити рух іонів, науковці модифікували мембрану сумішшю двох розчинників — 1,3-діоксолану (DOL) і диметилсульфоксиду (DMSO). Ця суміш змушує іономер набухати, створюючи умови, за яких фторид-іони можуть ефективно рухатися крізь квазітвердий матеріал.

Вимірювання за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії показали, що за кімнатної температури мембрана досягає іонної провідності до 1,3 × 10⁻³ S/см .

Додатково команда використала моделювання методом молекулярної динаміки, щоб з’ясувати, як структура мембрани та склад розчинника впливають на рух фторид-іонів. Розрахунки вказали на важливу роль DMSO як полярного агента набухання, який допомагає створити придатне середовище для переносу іонів.

Результати випробувань комірок

Новий електроліт протестували в монетарних (coin cell) елементах з електродами з свинцю та свинцевого фториду. Такі елементи демонстрували зворотні процеси фторування і дефторування — рух фторид-іонів у та з електродних матеріалів під час заряджання та розряджання.

Експерименти показали стабільну роботу більше ніж 50 циклів за кімнатної температури при струмовій щільності 0,1C. Це підтверджує, що запропонована мембрана здатна підтримувати багаторазове переміщення фторид-іонів без швидкої деградації в умовах лабораторних тестів.

Безпека та потенціал технології

Дослідники називають розробку першою фторид-обмінною мембраною, створеною спеціально для такого типу акумуляторів, при цьому вони спиралися на вже відомі концепції протон- і аніон-обмінних мембран.

Університет зазначає, що квазітверда мембрана є негорючою , що потенційно може дати переваги для безпеки систем зберігання енергії. Водночас випробування в лабораторних монетарних елементах самі по собі ще не доводять протипожежну безпеку чи комерційну ефективність повноцінних батарей.

За оцінками команди, теоретична енергетична щільність фторид-іонних акумуляторів може сягати близько 600 Вт·год/кг . Для порівняння, стандартні літій-іонні батареї зазвичай мають приблизно 150–250 Вт·год/кг. Однак ці цифри описують потенціал хімічної системи, а не характеристики конкретних експериментальних елементів, протестованих у цьому дослідженні.

У перспективі такі акумулятори можуть знайти застосування у стаціонарних системах зберігання енергії, електромобілях та навіть авіації, якщо вдасться реалізувати їхній теоретичний потенціал на практиці.

Скільки ще до заміни літію

Попри обнадійливі результати, фторид-іонні батареї залишаються на стадії формування як технологія. Дослідникам ще потрібно значно вдосконалити матеріали електродів, стабільність акумуляторів, термін служби та загальну продуктивність, перш ніж ця хімія зможе реально конкурувати з добре відпрацьованими літій-іонними системами.

Нова мембрана пропонує один із можливих шляхів до ефективного переносу фторид-іонів за кімнатної температури, роблячи наступний крок у напрямку практичних акумуляторів з іншим носієм заряду. Роботу виконано під керівництвом Мауріціо Санзотери (Maurizio Sansotera), а електрохімічну частину очолював Лука Маганьїн (Luca Magagnin), дослідження молекулярної динаміки — Джузеппіна Раффаїні (Giuseppina Raffaini). Провідним автором статті став Федеріко Марія Шеза (Federico Maria Scesa). Результати опубліковані в журналі Energy Storage Materials.

Технології