- KAIST 研究人員開發新型水基鋅離子電池電極，利用質子提升能量儲存。
- 鋅離子先儲存，質子後進入，這樣的順序提高了電池性能。
- 該電極在多次充放電循環中保持穩定，顯示其可逆性。
- 這項研究提供了控制多種電荷載體的新策略，推動電池技術發展。
KAIST 研究人員開發出一種水基鋅離子電池的電極，此電極利用質子來增加能量儲存，而不是將其視為性能問題的根源。這一方法可能幫助這些電池在快速充放電過程中儲存更多能量，同時保持性能。該電極是由一種二維導電金屬有機框架（MOF）構成，這是一種通過將金屬組件與有機分子連接而形成的多孔材料。研究人員對其微觀孔隙進行改性，加入胺基官能團，以控制不同離子進入電極的時機。
關鍵在於離子儲存的順序。鋅離子首先在較高電壓下進入電極，而較小的質子則在電壓下降時儲存。這使得電極能夠同時利用兩種電荷載體，而不讓質子反應幹擾鋅離子的儲存。
質子儲存的操作策略
水基鋅離子電池使用水基電解質，具備較低的火災風險和潛在的成本優勢。然而，鋅離子在電極中的移動相對較慢，這使得電池難以兼顧高能量儲存和快速充放電。質子雖然較小且能快速移動，但過多的質子反應可能在電極表面產生副產品，這些副產品會阻礙鋅離子的運動，降低電池性能。KAIST 團隊將這一弱點轉化為電極的操作策略。其 Cu3(HHTATP)2 材料包含的胺基團僅在電池達到特定電壓時與質子反應。
研究人員將此過程比作在裝瓶前先放入大卵石，再添加細沙。鋅離子首先被儲存，其後較小的質子佔據額外的儲存空間。
測試顯示，該電極在 0.5 A g-1 下達到 368.7 mAh g-1 的儲存容量。當充放電速率提高 16 倍時，它仍保留了 46.9% 的初始容量。該電極在超過 500 次的快速充放電循環中保持穩定，這表明該順序儲存過程能夠承受重複操作。X 射線分析確認了鋅離子和質子儲存的順序。研究人員還發現質子可以反復儲存和釋放，顯示其貢獻是可逆的。
提升容量的潛力
研究人員表示，控制儲存順序解決了多孔電極材料中的一個主要挑戰：實現高容量和快速離子傳輸。設計不再阻止質子參與電池反應，而是在分子層面上確定它們何時可以貢獻。這種分子級別的控制可能為在水基鋅離子電池中增加儲存能量的量提供了一種方法，並防止不必要的質子反應主導電極。水基鋅離子電池因其使用水基電解質而被探索用於大規模能量儲存，並能為依賴可燃電解質的系統提供更安全的替代方案。
提高其容量和快速循環的能力可能使其在固定能量儲存應用中更具實用性。
研究人員強調，這項工作代表了一種材料設計策略，而非已完成的商用電池。相同的原則可能適用於其他電極材料，以控制多種電荷載體。KAIST 的 Sarah S. Park 教授表示：「這項研究展示了質子這一以往被視為可能降低電池性能的‘麻煩製造者’，反而可以用來儲存更多能量。我們期待將這一原則應用於各種電極材料，推動能迅速儲存更大能量的電池的發展。」該研究已發表在國際化學期刊 Chem 上。
項目 規格 儲存容量 368.7 mAh g-1 充放電速率 0.5 A g-1 循環次數 超過 500 次
質子在電池性能中的新角色
KAIST 研究團隊的發現顯示，質子不再是鋅離子電池的性能障礙，而是能夠有效提升能量儲存的關鍵因素。這種創新的儲存順序不僅解決了傳統電池設計中的挑戰，還為未來的電池技術提供了新的思路。水基鋅離子電池因其安全性和成本效益而受到關注，這項研究的成果可能會促進其在大規模能量儲存應用中的實用性，進一步推動可再生能源的發展。