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

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

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

Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов

Новости компаний, релизы

40% профессионалов предпочитают работать удаленно с дачи
Гидрологи СПбГУ первыми в мире показали, что распределение микропластика в водах Ладожского озера зависит от температурного ...
Ученые Казанского аграрного университета нашли способ повысить урожайность картофеля в Татарстане
В Нижнем Новгороде проходит Шестой «ЯлФест-2024»
Президенту Узбекистана презентовали вертолет Ансат