Основною реакцією, що відбувається на повітряному катодному електроді лужних паливних елементів (AFC), є реакція відновлення кисню (ORR). Традиційні сполучні речовини, такі як PTFE та PVDF, мають низку недоліків, зокрема схильність до швидкого руйнування в лужному середовищі, закупорювання пор та забруднення. Як водорозчинний ефір целюлози, HPC може використовуватися як зв’язувальний агент для електродів та плівкоутворювач, який сумісний із сильнолужною системою AFC з високою концентрацією KOH та має низку переваг у галузі електрохімії, виробничого процесу та охорони навколишнього середовища.
Хімічна стійкість у сильнолужних системах (основна перевага для узгодження AFC)
- Широкий діапазон значень pH та стійкість до лугів
Бічні ланцюги гідроксипропілу на молекулах HPC захищають основний ланцюг целюлози, забезпечуючи стабільний діапазон рН від 2 до 11. HPC стійкий до гідролітичного розщеплення ланцюгів, що дозволяє використовувати його протягом тривалого часу в електролітах KOH з концентрацією нижче 6 моль/л — це загальноприйнята концентрація для AFC. На відміну від цього, PVDF піддається швидкому дегідрофторируванню та деградації в концентрованих лугах, тоді як PTFE стає крихким і виходить з ладу в умовах високих температур та сильних лугів. HPC зберігає цілісність каркасів електродів протягом тривалої експлуатації та подовжує термін служби на понад 30%.
- Самотвердіння під дією солі з утворенням структури, що фіксує пори
При контакті з високолужними електролітами виникає помірний ефект вилуговування, що спричиняє незначне зшивання та затвердіння полімерних ланцюгів, завдяки чому вугільний порошок та частинки каталізатора ORR надійно фіксуються. Не відбувається руйнування, спричиненого набряканням, або блокування газових каналів. Зберігаються подвійні шляхи дифузії кисню та провідності OH⁻, що пом’якшує проблему затоплення повітряних електродів.
- Без фтору, без забруднення побічними продуктами
Не містячи елементів фтору, HPC не утворює HF або фторидних домішок під час циклів заряджання та розряджання, тим самим запобігаючи отруєнню каталізаторів катодів із дорогоцінних та недорогоцінних металів у AFC. Це дозволяє вирішити проблему постійного зниження каталітичної активності, яка характерна для традиційних фторованих сполучних речовин під час тривалої експлуатації.
Переваги мікромасштабних пористих каналів та масообміну (прискорення кінетики ORR)
- Амфіпатичні ієрархічні пори для одночасного транспорту газу, рідини та іонів
Маючи як гідрофільні гідроксильні групи, так і гідрофобні пропільні групи, HPC утворює ієрархічні пористі плівки після формування плівки. Гідрофільні канали пропускають іони OH⁻ та електроліти, тоді як гідрофобні пори транспортують кисень, утворюючи трифазні реакційні інтерфейси. Опір катодній поляризації різко знижується, а пікова щільність потужності відповідно підвищується.
- Відсутність блокування каталітично активних центрів
Для забезпечення функціональності зв’язуючого речовини достатньо навіть низької дози — всього 2%–5%, що дозволяє отримати тонкі проникні плівки, які ніколи не інкапсулюють частинки каталізатора. Для порівняння, PTFE легко утворює агломерати, які закривають активні центри та гальмують кінетику відновлення кисню.
- Буферне утримання води для стабілізованих трифазних меж розділу
Гідроксильні групи надають HPC здатність утримувати воду, що дозволяє підтримувати оптимальну внутрішню вологість електрода та запобігати перериванню іонної провідності, спричиненому зневодненням катода в AFC. Цей матеріал пристосований до умов експлуатації при низьких температурах та низькому рівні зволоження, маючи ширший діапазон робочих параметрів.
Реологічні та технологічні переваги електродних суспензій
- Екологічний процес виготовлення на водній основі
В якості розчинника використовується виключно чиста вода, що дозволяє уникнути застосування токсичного NMP та інших органічних розчинників. Під час виробництва досягається нульовий рівень викидів ЛОС, що дозволяє скоротити витрати на облаштування вибухозахищених приміщень та екологічну обробку відходів. Ця технологія сумісна з усіма технологічними процесами виробництва електродів, включаючи нанесення покриття на леза, розпилення та каландрування.
- Реологія з розрідженням під дією зсуву, що забезпечує чудову однорідність суспензії
Водні розчини HPC поводяться як псевдопластичні рідини: їхня в’язкість знижується під дією перемішування та зсувних сил під час нанесення покриття, що забезпечує рівномірне розподілення вуглецевого порошку та каталізаторів без утворення агломератів. У стані спокою в’язкість відновлюється, що запобігає осіданню та фазовому розділенню суспензій, значно покращуючи стабільність якості електродів від партії до партії.
- Формування плівки при низькій температурі з високою механічною гнучкістю
Під час низькотемпературної сушки при температурі нижче 100 °C утворюються суцільні когерентні плівки зв’язувального матеріалу, що дозволяє уникнути термічного пошкодження каталізаторів, які не містять дорогоцінних металів. Гнучкі плівки компенсують об’ємні деформації під час циклів заряджання-розряджання, запобігаючи утворенню тріщин на електродах та відшаруванню активних матеріалів, а також підвищуючи механічну міцність електродів.
Екологічні та економічні переваги
- Біорозкладна сировина на біологічній основі
Виготовлені на основі натуральної целюлози, відпрацьовані електроди з HPC піддаються м’якому розкладанню без утворення стійких пластикових відходів, що відповідає стандартам екологічного виробництва пристроїв для накопичення енергії.
- Зниження вартості сировини
У порівнянні з ПТФЕ та перфторированими іономерами ціна масового виробництва HPC становить лише одну третину від вартості фторованих сполучних речовин, що дозволяє істотно знизити витрати на матеріали для повітряних електродів AFC.
Вичерпний огляд заявки
У повітряних електродах лужних паливних елементів HPC виступає екологічною та кращою альтернативою традиційним фторованим сполучним речовинам. Завдяки трьом основним перевагам — стійкості до лугів, амфіпатичному пористому масообміну та простоті обробки у водному середовищі — HPC оптимізує трифазний інтерфейс для відновлення кисню, знижує внутрішній опір катода та подовжує термін експлуатації батареї. Недоліки його експлуатаційних характеристик проявляються лише в умовах надзвичайно високих температур та надконцентрованих сильних лугів, що можна компенсувати шляхом змішування та модифікації. HPC має широкі перспективи застосування в цивільних низькотемпературних лужних паливних елементах та портативних AFC для накопичення енергії.
