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

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

Согласно результатам нового исследования, пров...

Ученые нашли способ очистки воды с помощью солнечной энергии
Ученые нашли способ очистки воды с помощью солнечной энергии

Использование электрохимии для разделения...

В России исследуют влияние формы древесины на процесс горения
В России исследуют влияние формы древесины на процесс горения

Исследование ученых ТПУ позволит улучшить...

Никель поможет отказаться от токсичного кобальта в батарейках
Никель поможет отказаться от токсичного кобальта в батарейках

Поскольку литий-ионные батареи используются бу...

Перовскит обрел свое место под солнцем
Перовскит обрел свое место под солнцем

Перовскитные солнечные элементы привлекают бол...

В заброшенных шахтах нашли энергию на триллионы долларов
В заброшенных шахтах нашли энергию на триллионы долларов

Новая технология под названием Подземное ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса