Гибкие водные батареи, например, используемые в портативной электронике, часто содержат гидрогелевый электролит, содержащий воду и соль. Используя химическую модификацию, вдохновленную природой, группа китайских исследователей теперь значительно увеличила солевую стабильность гидрогелей, используемых в натрий-ионных батареях. Простое метилирование структурного полимера гидрогеля предотвратило высаливание и улучшило емкость батареи и производительность при циклическом использовании, сообщает команда в журнале Angewandte Chemie International Edition .
Натрий-ионные аккумуляторы являются перспективной альтернативой литий-ионным , поскольку содержат более дешевые и экологически чистые материалы, чем литий-ионные. Однако новые батареи требуют разработки множества новых компонентов, каждый из которых должен быть адаптирован к ионам натрия. Одним из наиболее важных компонентов является электролит, который в случае тонких гибких батарей часто имеет форму гидрогеля. Эти гибкие водосодержащие материалы поглощают растворенные соли натрия и могут проводить ионы.
Несмотря на пригодность гидрогелей, пока нерешенной проблемой является разделение фаз и высаливание при высоких концентрациях солей , необходимых для широкого окна электрохимической стабильности. Гуанглей Цуй и его коллеги из Китайской академии наук в Циндао, Китай, теперь преуспели в модификации гидрогеля для натрий-ионной батареи, чтобы он поглощал значительно больше соли стабильным и безопасным образом.
Чтобы добиться этого, они обратились к методу, также используемому в природе для регулирования связывания воды и солей в крупных биомолекулах: метилированию. В белках метилирование вызывает «кэпирование» амино- и амидных групп, которые становятся менее доступными для молекул воды, играющих роль в сшивании внутри структуры белка и растворении ионов солей.
Поскольку полиамидные полимеры, используемые для гидрогелей, также содержат амидные группы, их обширное сшивание через молекулы воды может вызвать высаливание, что приводит к распаду электролита. Имея это в виду, команда сравнила гидрогель, изготовленный из обычного полиамида, с гидрогелем, изготовленным из полиамида с метилированными амидными группами. Последний смог поглотить значительно больше соли, чем исходный вариант. Даже при рекордно высоких концентрациях соли электролит гидрогеля оставался прозрачным и стабильным.
Более высокое содержание соли означает, что диапазон электрохимически пригодного напряжения элемента может быть расширен. Кроме того, команда не заметила никаких признаков распада на электродах, лучшую циклическую стабильность, а собранный аккумуляторный элемент достиг большей емкости, чем неметилированный вариант. В этой системе в качестве токосъемника можно было даже использовать недорогую алюминиевую фольгу.
Авторы предполагают, что простое метилирование полиамида может подойти и для других технологий, например, при разработке лекарств , чтобы сделать гидрогели более устойчивыми к солям и, следовательно, более стабильными.
