Этот прорыв потенциально может стать движущей силой нового поколения технологий хранения энергии.
Наглядное изображение, демонстрирующее светящуюся батарею, лежащую на синем фоне цифровой платы.
Беглость
Ученые из Китая разработали новый катодный материал, который значительно повышает производительность водных цинк-ионных аккумуляторов (AZIB), предлагая более безопасное, стабильное и энергоемкое решение для сетевых накопителей и портативной электроники.
Усовершенствованный электрод был разработан исследователями из Университета Цзинаня и их коллегами из Шанхайского университета Цзяотун. Для своего исследования команда использовала нанолисты FA-VOPO₄, которые демонстрируют превосходные электрохимические характеристики в качестве анодных материалов.
Внедрив молекулы формамида в слоистую структуру ванадилфосфата, команда разработала модифицированный катод со значительно улучшенными физическими и электрохимическими характеристиками.
Сообщается, что структурная корректировка повысила стабильность материала, увеличила межслоевое расстояние и повысила эффективность переноса ионов, что имеет решающее значение для устранения давних ограничений производительности в системах цинк-ионных аккумуляторов.
Ограничения стабильности водных батарей
AZIB привлекли растущий интерес из-за их неотъемлемой безопасности, низкой стоимости и многообещающей плотности энергии. Они также предлагают ключевые преимущества, такие как экологичность и большой потенциал для крупномасштабных приложений хранения энергии.
Однако их коммерческая жизнеспособность была ограничена такими проблемами, как плохая стабильность циклирования и медленная диффузия ионов, которые становятся особенно серьезными в условиях высокой массовой нагрузки. Их практическое применение дополнительно осложнено такими проблемами, как рост дендритов и выделение водорода.
По словам исследовательской группы, проблемы с производительностью возникают из-за ограниченных путей транспорта ионов и механической деградации структуры электрода, вызванной многократным введением и извлечением ионов цинка.
Кредит: Higher Education Press
Чтобы устранить недостатки, команда заменила часть межслоевой воды в VOPO4 молекулами формамида — широко используемого реагента, который является ионизирующим растворителем в водных буферах.
Замена увеличила межслоевое расстояние до 9,3 ангстрем (Å), что позволило образовать водородные связи между формамидом и оставшимися молекулами воды.
«Эта уникальная структурная модификация повышает структурную стабильность и пути ионного транспорта», — говорят исследователи. «Синергическая водородная связь между FA и остаточной водой значительно улучшает кинетику диффузии Zn2+ и свойства переноса заряда».
Формамид раскрывает потенциал аккумулятора
По данным исследовательской группы, электроды FA-VOPO₄ продемонстрировали замечательные электрохимические характеристики, что является значительным улучшением по сравнению с существующими материалами.
При умеренной массовой нагрузке в семь миллиграммов на квадратный сантиметр (мг/см2) катоды FA-VOPO₄ достигли удельной массовой емкости 463 миллиампер-часа на грамм (мАч/г). Они также обеспечили объемный выход 733 миллиампер-часа на кубический сантиметр (мАч/см3). Это представляет собой приблизительно восьмикратное увеличение по сравнению с немодифицированным VOPO4·2H2O.
Более того, даже при гораздо более высокой нагрузке массой 20 мг/см2 они сохранили впечатляющие 535 мАч/см3. В частности, после 1000 циклов заряда-разряда при плотности тока один ампер на грамм (А/г) катоды сохранили в общей сложности 82,1 процента своей первоначальной производительности, что подчеркивает их исключительную стабильность циклирования.
«Эта работа дает ценную информацию о стратегиях проектирования электродов для высокопроизводительных AZIB», — заключили исследователи в пресс-релизе. «Успешный синтез нанолистов FA-VOPO4 с увеличенным межслоевым расстоянием открывает многообещающий путь к созданию высокоплотных, более безопасных и долговечных водных систем хранения энергии».
Группа ученых полагает, что эти результаты будут способствовать разработке более эффективных технологий хранения энергии с потенциальным применением в сетевых накопителях и портативной электронике.
Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Energy.
Sourse: interestingengineering.com
