KAISTの研究者たちは、水基の亜鉛イオン電池用の電極を開発しました。この電極は、プロトンを利用してエネルギー貯蔵を増加させるもので、性能の問題の根源と見なすのではなく、逆に活用します。この方法は、これらの電池が急速な充放電プロセスの中でより多くのエネルギーを貯蔵しつつ、性能を維持するのに役立つ可能性があります。この電極は、金属成分と有機分子を接続して形成された多孔質材料である二次元導電性金属有機フレームワーク（MOF）で構成されています。研究者たちは、その微細な孔を改質し、アミノ官能基を追加して、異なるイオンが電極に入るタイミングを制御しました。
鍵となるのは、イオン貯蔵の順序です。亜鉛イオンはまず高い電圧で電極に入りますが、より小さなプロトンは電圧が下がるときに貯蔵されます。これにより、電極は2種類の電荷キャリアを同時に利用でき、プロトンの反応が亜鉛イオンの貯蔵を妨げることがありません。
KAISTの研究者が開発した水基亜鉛イオン電池電極が新技術の可能性を示す
水基亜鉛イオン電池は水基の電解質を使用し、火災リスクが低く、コストの潜在的な利点があります。しかし、亜鉛イオンの電極内での移動は比較的遅く、これが電池が高エネルギー貯蔵と急速充放電を両立させるのを難しくしています。プロトンは小さくて迅速に移動できますが、過剰なプロトン反応は電極表面に副産物を生成し、これが亜鉛イオンの運動を妨げ、電池性能を低下させる可能性があります。KAISTチームは、この弱点を電極の操作戦略に変換しました。そのCu3(HHTATP)2材料に含まれるアミノ基は、電池が特定の電圧に達したときのみプロトンと反応します。
研究者たちはこのプロセスを、ボトルに大きな石を入れてから細砂を追加することに例えました。亜鉛イオンが最初に貯蔵され、その後に小さなプロトンが追加の貯蔵スペースを占有します。
テストの結果、この電極は0.5 A g-1で368.7 mAh g-1の貯蔵容量を達成しました。充放電速度が16倍に上がっても、初期容量の46.9%を維持しました。この電極は500回以上の急速充放電サイクルで安定性を保ち、この順序貯蔵プロセスが繰り返し操作に耐えられることを示しました。X線分析により、亜鉛イオンとプロトンの貯蔵の順序が確認されました。研究者たちは、プロトンが繰り返し貯蔵され放出されることができ、その貢献が可逆的であることも発見しました。
研究者たちは、貯蔵の順序を制御することが、多孔質電極材料における主要な課題の一つである高容量と迅速なイオン輸送を実現することを解決したと述べています。設計はもはやプロトンの電池反応への参加を妨げるのではなく、分子レベルでそれらがいつ貢献できるかを決定します。この分子レベルの制御は、水基亜鉛イオン電池におけるエネルギー貯蔵量を増加させ、不必要なプロトン反応が電極を支配するのを防ぐ方法を提供する可能性があります。水基亜鉛イオン電池は、水基電解質を使用するため、大規模エネルギー貯蔵に探索されており、可燃性電解質に依存するシステムに対してより安全な代替案を提供できます。
その容量と迅速なサイクル能力の向上は、固定エネルギー貯蔵アプリケーションでの実用性を高める可能性があります。
研究者たちは、この研究が完成した商用電池ではなく、材料設計戦略の一例であることを強調しています。同じ原則が他の電極材料にも適用でき、多様な電荷キャリアを制御することができます。KAISTのSarah S. Park教授は、「この研究は、これまで電池性能を低下させる‘トラブルメーカー’と見なされていたプロトンが、実際にはより多くのエネルギーを貯蔵するために利用できることを示しています。私たちは、この原則をさまざまな電極材料に適用し、より大きなエネルギーを迅速に貯蔵できる電池の開発を進めることを期待しています。」と述べています。この研究は国際化学ジャーナルChemに発表されました。
項目 規格 貯蔵容量 368.7 mAh g-1 充放電速度 0.5 A g-1 サイクル回数 500回以上