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


Подписаться в Telegram



Энергия

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

Новости компаний, релизы

Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Минералоги СПбГУ нашли на острове Диско возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов
Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков