Китайские исследователи значительно улучшили характеристики натрий-ионных аккумуляторов за счет метилирования гидрогелевых электролитов, увеличив их поглощение солей и стабильность. Это достижение не только повышает эффективность этих экологически чистых батарей, но и открывает новые возможности для использования гидрогелей в различных технологиях.
Гибкие водяные батареи, обычно используемые в портативных электронных устройствах, обычно содержат гидрогелевый электролит, состоящий из воды и соли. Китайская исследовательская группа добилась значительного прогресса в улучшении солевой стабильности гидрогелей в натрий-ионных батареях. Они метилировали структурный полимер гидрогеля, что предотвращало высаливание, тем самым улучшая емкость аккумулятора и его циклическую производительность.
Результаты их исследования были недавно опубликованы в журнале AngewandteChemie.
Натрий-ионные батареи являются многообещающей альтернативой литий-ионным батареям, поскольку они содержат более дешевые и экологически чистые материалы, чем литий-ионные батареи. Однако новые батареи требуют разработки множества новых компонентов, каждый из которых должен быть адаптирован к ионам натрия. Одним из основных компонентов является электролит, который в тонких гибких батареях часто принимает форму гидрогеля. Эти гибкие водосодержащие материалы поглощают растворенные соли натрия и проводят ионы.
Хотя гидрогели пригодны, нерешенной проблемой является возникновение разделения фаз и высаливания при высоких концентрациях солей, необходимых для широкого окна электрохимической стабильности. Цуй Гуанглэй и его коллеги из Института энергетики Циндао Китайской академии наук успешно усовершенствовали гидрогели натрий-ионных аккумуляторов, чтобы они могли стабильно и безопасно поглощать больше соли.
Чтобы добиться этого, они использовали метод, также используемый в природе для регулирования водно-солевого связывания крупных биологических макромолекул: метилирование. В белках метилирование вызывает «кэпирование» амино- и амидных групп, тем самым уменьшая доступ молекул воды к поперечным связям и солюбилизации ионов соли внутри структуры белка.
Поскольку полиамидные полимеры, используемые в гидрогелях, также содержат амидные группы, их обширное сшивание молекулами воды может привести к высаливанию и, следовательно, к разложению электролита. Имея это в виду, команда сравнила гидрогели, изготовленные из обычных полиамидов, с гидрогелями, изготовленными из полиамидов, содержащих метилированные амидные группы. Последний впитывает значительно больше соли, чем исходный вариант. Электролит гидрогеля остается прозрачным и стабильным, даже когда концентрация солей достигает рекордно высокого уровня.
Более высокое содержание соли означает, что диапазон электрохимически доступных напряжений батареи может быть расширен. Кроме того, команда не заметила никаких признаков распада электродов, стабильность цикла была лучше, а собранная батарея имела большую емкость, чем ее неметилированный аналог. В этой системе в качестве токосъемника можно использовать даже дешевую алюминиевую фольгу.
Авторы предполагают, что простое метилирование полиамида можно также использовать в других технологиях, таких как разработка лекарств, чтобы сделать гидрогели более устойчивыми к соли и, следовательно, более стабильными.