EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей

Цинк — дешевый, распространенный, экологически чистый — может стать ответом на вопрос о создании более совершенных батарей, однако существует серьезная проблема: водные цинк-ионные батареи, AZIB, не могут сравниться с литий-ионными батареями по мощности.

Чтобы проверить, какой состав электродного материала может позволить довести AZIB до нужного уровня, исследовательская группа из Китая разработала два органических каркаса с одинаковыми компонентами, но расположенными по-разному.

При испытании оказалось, что каркас с соответствующей плотностью активных участков — мест, где ионы цинка получают электроны для подзарядки аккумулятора, — показал лучшие результаты.

Результаты исследователи опубликовали в журнале Energy Materials and Devices.

Уже более десяти лет AZIB привлекают к себе большое внимание как весьма перспективная технология производства аккумуляторов, — сказал соавтор статьи Мейлин Ли (Meilin Li), профессор факультета материаловедения и энергетической инженерии и Института технологий углеродного нейтралитета Шэньчжэньского института передовых технологий (SIAT) Китайской академии наук.

В настоящее время изучаются различные электродные материалы, в том числе неорганические. Однако эти материалы часто сталкиваются с проблемами, включая деградацию кристаллической структуры и ограниченную удельную емкость.

Органические материалы, составляющие катод, в котором функциональные группы в ходе реакций заряда и разряда попеременно окисляются и восстанавливаются, что соответствует поглощению и высвобождению ионов цинка, представляют собой молекулы, расположенные в кристаллической форме. Эти молекулы содержат активные участки, на которых ионы вступают в реакцию и привлекают электроны. Однако неорганические молекулы могут вместить ограниченное число реакций и поддерживать их в течение конечного времени, прежде чем подвергнутся распаду.

В отличие от неорганических органические материалы обладают превосходными окислительно-восстановительными свойствами, высокой удельной емкостью и структурной гибкостью, — говорит Ли.

В данной работе мы разработали два ковалентных органических каркаса (COF) с одинаковой структурой и количеством энергетических групп, чтобы исследовать корреляцию между плотностью активных участков и электрохимическими характеристиками.

В первом КОФ использовалась органическая молекула бензохиноксалинбензохинона (BB-COF), а во втором — трихиноксалиленбензохинона (TB-COF). Оба каркаса имеют кольцевую форму с одинаковым количеством энергетических групп в каждом. В энергетических группах располагаются активные участки — атомы углерода, соединенные с кислородом или азотом. BB-COF также был крупнее, энергетические группы располагались дальше друг от друга. Молекула TB-COF была в целом более плотной, но энергетические группы BB-COF были более разреженными и содержали активные участки.

И это, по мнению Ли, является ключом к лучшим электрохимическим характеристикам.

Хотя TB-COF и обладает достойной начальной удельной емкостью, обусловленной плотной упаковкой функциональных групп, его восприимчивость к снижению емкости из-за сильных взаимодействий ставит его в невыгодное положение в борьбе за роль катодного материала AZIBs, — говорит Ли.

С другой стороны, BB-COF продемонстрировал стабильную работу даже при температуре -40 градусов Цельсия в течение 2 000 циклов — это означает, что он может оставаться стабильным даже при зарядке и разрядке аккумулятора 2 000 раз.

Исследователи проанализировали химический состав и морфологию COF, определив, что больший диаметр BB-COF обеспечивает быстрый транспорт ионов и более эффективное использование активных участков. При комнатной температуре после 10 000 циклов удельная емкость BB-COF составила 72 миллиампер-часа на грамм массы. Удельная емкость TB-COF снизилась до 40 миллиампер-часов на грамм массы.

Считается, что регулирование и контроль размеров пор для получения оптимальной плотности активных участков позволяет не только повысить скорость переноса ионов цинка в COF-путях, но и сохранить стабильность COF-структур, — говорит Ли.

В дальнейшем мы сосредоточимся на этом подходе.

21.11.2023