Американские учёные создали мягкий пористый материал, который направляет ионы лития для лучших батарей

Металл-органические каркасы (MOF) содержат крошечные упорядоченные каналы, которые могут удерживать или перемещать определённые ионы, что делает их ценными для твердотельных батарей.

Межведомственная исследовательская группа из Университета Райса в США разработала мягкий пористый и гибкий материал, который избирательно пропускает ионы лития и может помочь создать лучшие твердотельные батареи в будущем.

Твердотельные батареи считаются будущим хранения энергии, поскольку они используют твердый электролит, который безопаснее и имеет более высокую плотность энергии. Жидкий электролит в обычных батареях склонен к возгоранию, и замена его твердым делает его менее горючим.

Перемещение ионов лития — лишь часть задачи в твердотельных батареях; то, как ведёт себя материал, тоже может быть важно. Металл-органические каркасы (MOF), тип пористого кристаллического материала, обычно используются в качестве твердотельных электролитов, поскольку содержат крошечные упорядоченные каналы, которые могут удерживать или перемещать определённые ионы. Это весьма предпочтительное качество материала электролита, но MOF по своей природе жёсткие, что может влиять на то, как они могут оставаться в контакте с электродами.

Пористый, гибкий MOF

Команда исследователей из кафедр химической и биомолекулярной инженерии, химии и материаловедения и наноинженерии, а также Института передовых материалов Университета Райса разработала ZnBTCA, который использует алифатический линкер, делающий MOF мягче и адаптивнее.

«Электролиты на основе MOF часто проектируются в первую очередь с учётом того, насколько эффективно они транспортируют ионы, — сказала Зина Дериш, аспирантка Университета Райса, участвовавшая в исследовании. — Здесь мы показываем, что механические свойства каркаса также могут быть важной частью дизайна».

И цинк, и алифатический линкер, из которого он сделан, распространены и, следовательно, являются недорогими компонентами. Кроме того, отрицательно заряженная структура облегчает движение положительно заряженных ионов лития через её каналы.

«Объединение этих свойств даёт нам новый способ проектирования электролитов на основе MOF, учитывая одновременно и то, как движутся ионы, и то, как материал ведёт себя механически», — добавила Ставрула Алина Кампури, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса, в пресс-релизе.

Преодоление коротких замыканий

Процесс зарядки и разрядки внутри литий-ионной батареи может создавать нежелательные пути через электролит, вызывая опасения по поводу коротких замыканий. Когда исследователи включили гибкий полимер в электролит и поместили его между литиевыми металлическими электродами, ячейки работали стабильно более 300 часов, даже когда ток увеличивался во время тестирования, без каких-либо коротких замыканий.

Исследователи также заменили ионы натрия в структуре на литий. Они обнаружили, что 95 процентов мобильных ионов, балансирующих заряд, были литием, и при этом структура не разрушилась. Это показывает, что механическая гибкость, наряду с химическим составом, структурой пор и зарядом, также может быть инструментом проектирования для исследователей, работающих над электролитами на основе MOF.

«Насколько нам известно, ZnBTCA — первый электролит на основе MOF, построенный из алифатического линкера с гибкой углеродной цепью», — сказала Сибани Лиса Бисвал, заведующая кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса. «Эта работа показывает, что мы можем мыслить шире, чем просто химия и структура пор этих материалов. Механическая гибкость также может стать инструментом проектирования для разработки электролитов на основе MOF для твердотельных батарей».