- 新型二維金屬有機框架電極提升水基鋅離子電池性能。
- 研究證實質子可用於儲存更多能量，改善充電速度。
- 新電極設計專為靜態可再生儲存而非電動車而設。
- 技術提供安全、經濟的水基電池解決方案，適合大規模生產。
一種新型的二維導電金屬有機框架（MOF）電極在安全、低成本的水基鋅離子電池中提升了能量儲存能力及充電速度。這種新電極材料通過依次儲存鋅離子及質子來增強性能。該研究證實了離子儲存順序可以通過分子層級的工程技術進行精確操控。「這項研究顯示，質子以往被視為可能降低電池性能的’麻煩製造者’，但實際上可以用來儲存更多能量。我們期望將這一原則應用於各種電極材料，從而開發出能夠快速儲存更大能量的電池。」
來自韓國科學技術院（KAIST）的薩拉·S·帕克教授表示。
水基鋅離子電池的挑戰
依序儲存離子水基鋅離子電池使用水基電解質，使離子能夠在電池內部自由流動。水基鋅離子電池長期以來一直吸引著工程師的注意。這些便宜且不易燃的水基電池為大規模電網儲能提供了一種更安全的替代方案。然而，這些電池面臨的一大挑戰是無法儲存足夠的能量或充電速度不足。造成這一問題的罪魁禍首通常被認為是遊離質子。雖然這些微小顆粒靈活，但它們每當與笨重的鋅離子一起湧入電極時，便會形成妨礙性能的表面副產品。
電池科學家將其稱為「麻煩製造者」，並花費多年時間試圖將它們隔離。
新型電極材料的設計
KAIST 團隊採取了相反的策略。在化學系的帕克教授帶領下，研究人員設計了一種新型電極材料，這是一種名為 Cu₃(HHTATP)₂ 的二維金屬有機框架。金屬有機框架是一種由金屬離子與有機分子連接形成的多孔微觀結構。通過將特定的胺官能團直接嵌入材料的微小孔隙中，創造出一個對電壓敏感的守門人。儲存的順序至關重要。在較高電壓下，該材料首先允許沉重、移動緩慢的鋅離子先停放在電極結構內。
只有當電壓降低時，胺基團才會啟動，邀請超快質子進入並填充剩餘的空間。當鋅離子已經安全地就位時，質子無法造成其通常的混亂。這一過程優化了電極空間，就像先將大卵石放入瓶中，然後再逐漸將細沙灌入剩餘的空隙。
值得注意的是，電極在不過度擁擠的情況下，透過首先填充較大的鋅離子，然後再填入較小的質子來實現最大儲存效率。在測試中，實驗電池提供了 368.7 mAh g⁻¹ 的容量。簡單來説，少量這種材料可以儲存大量能量。即使在被迫以 16 倍的速度充放電時，它仍然保留了近一半的容量（46.9%），並在超過 500 次快速循環後未出現故障。先進的 X 射線分析證實，該電極可靠地重複進行這一雙步儲存過程，首先插入鋅離子，然後添加質子。
這一發展彌補了多孔電池材料中高能量儲存與快速充電之間的長期差距。
未來水基電池的發展方向
研究人員指出：「這為開發下一代水基鋅離子電池提供了一個新方向，展示了不同離子的儲存順序可以通過分子層級設計進行控制。」這種設計專為靜態可再生儲存而非電動車而設，水基鋅電池優先考慮安全性和低成本，而非重量。該技術通過用無毒、環保材料取代有毒、稀缺金屬和易燃溶劑，為大規模生產電網級能量儲存提供了一種更安全和可持續的解決方案。這一設計策略為安全、經濟的水基電池鋪平了道路，使其能夠快速充電而不犧牲儲存容量。
該研究已正式發表於國際化學期刊《Chem》。
項目 規格 容量 368.7 mAh g⁻¹ 充放電效率 46.9%
新電極材料對水基鋅電池的影響
新型二維金屬有機框架電極的發展，為水基鋅離子電池的性能提升提供了新思路。這種電極材料不僅能有效儲存鋅離子，還能通過精確控制質子的儲存順序來優化充電速度。這一技術的突破，對於解決水基電池在能量儲存和充電效率方面的挑戰具有重要意義，尤其是在安全性和成本效益方面，為未來的電池技術發展鋪平了道路。