Цинк-ионные батареи используют водные электролиты, поэтому они дешевле, экологичнее и безопаснее привычных литиевых компонентов. Но разработать на их основе элементы питания повышенной емкости с быстрой зарядкой долго не удавалось. Ионы цинка, которые переносят заряд, тяжелые и медленно движутся внутри электрода. Быстрые и легкие могли бы ускорить процесс, однако при избытке они запускают реакции, блокирующие движение ионов цинка. Из-за этого протоны обычно старались подавлять.
Ученые Корейского передового института науки и технологий предложили другое решение — заставить эти частицы работать на батарею. Исследователи создали электродный материал, который сперва накапливает ионы цинка, а затем — протоны. Этот принцип позволил увеличить общую емкость без потери скорости зарядки. Результаты работы опубликованы в журнале Chem.
В микропоры двумерной проводящей структуры из металла и органических молекул команда добавила аминные функциональные группы. Они начинают взаимодействовать с протонами только при определенном напряжении. Благодаря этому ионы цинка успевают накопиться первыми, а уже после них в электрод встраиваются положительно заряженные частицы.
Способ, разработанный корейскими химиками, напоминает заполнение бутылки, в которую вначале кладут крупные камешки, после чего промежутки засыпают песком. Новый материал Cu₃ (HHTATP)₂ показал емкость 368,7 мАч/г при токе 0,5 А/г. Даже при 16-кратном ускорении зарядки и разрядки он сохранил 46,9% первоначальной емкости и стабильно работал после более чем 500 зарядно-разрядных циклов.
С помощью рентгеновского анализа ученые подтвердили, что ионы цинка и протоны действительно накапливаются последовательно. По мнению авторов работы, их подход можно применять к другим электродным материалам, чтобы создавать бюджетные и безопасные водные батареи для крупных систем хранения энергии.
Ранее Наука Mail рассказывала, что российские химики нашли замену свинцу в солнечных батареях.