盖世汽车讯 据外媒报道，韩国科学技术院（KAIST）化学系Sarah S. Park领导的研究团队开发出一种新型电极材料，可在水系电池中依次存储锌离子（Zn²⁺）和质子。该材料基于一种二维导电金属有机框架（MOF），其结构由金属与有机分子连接而成，并形成微观孔道。

水系锌离子电池采用水系电解质。电解质是一种能够使离子在电池内部移动的物质。由于水系锌离子电池起火风险相对较低、成本低且环境负担较小，因此正受到关注，被视为大规模储能系统（ESS）的下一代技术选择。

由于锌离子带有电荷且为二价离子，其在电极内部移动速度较慢，因此很难同时实现高容量和快速充放电性能。相比之下，质子尺寸极小，移动速度非常快，是一种理想的载流子。

然而，当过多质子进入电极时，电极表面会形成副产物，从而阻碍锌离子的移动并降低电池性能。因此，质子长期以来一直被视为会损害电池性能的“捣乱者”，研究重点也一直放在抑制其反应上。

图片来源：KAIST

将质子的反应活性转化为优势

在发表于期刊《Chem》的这项研究中，研究团队采取了不同的方法。研究人员没有抑制质子反应，而是精准控制锌离子和质子的存储顺序，使两者都能用于储能。

为实现这一目标，研究人员在二维导电MOF的微孔中引入胺官能团，并对材料进行设计，使其只有在达到特定电压时才会与质子发生反应。通过设计胺官能团，使其仅在特定电压下存储质子，研究人员实现了先存储锌离子、再额外存储质子的过程。

这一原理类似于先将较大的鹅卵石放入空瓶中，再用细沙填充鹅卵石之间的空隙。电极先存储尺寸相对较大的锌离子，再加入尺寸更小的质子，从而提高了电极的利用效率。

实际测试中，锌离子首先在较高电压区间内被存储，而随着电压降低，质子进一步被存储。在研究团队开发的Cu₃(HHTATP)₂电极材料中，锌离子和质子在不同电压区间内依次参与储能。

这种顺序尤为重要。如果质子过早发生反应，就可能形成副产物，阻碍锌离子的移动。通过使质子仅在锌离子完成存储后才发生反应，研究人员减少了两种储能过程之间的相互干扰。

快速循环下仍保持较高容量

新开发的电极材料在0.5 A g⁻¹的电流密度下实现了368.7 mAh g⁻¹的高储能容量。简单来说，这意味着少量电极材料就能够存储大量电能。

即使充放电速率提高16倍，该电极仍能保持初始储能容量的46.9%，接近一半。通常情况下，随着充放电速率提高，电池能够存储的能量会减少，但这种新型电极即使在快速充放电条件下，仍能保持较高的储能容量。此外，在超过500次快速充放电循环后，该电极仍表现出稳定的性能。

研究团队利用多种X射线分析技术证实，锌离子首先被存储，随后质子进一步被存储。研究人员还发现，质子的存储以及随后释放的过程可以重复进行。

水系电池的分子设计蓝图

这项研究意义重大，因为它解决了多孔电极材料难以同时实现高容量和快速离子传输的问题。尤其是，该研究证明可以通过分子层面的设计控制不同离子的存储顺序，为下一代水系锌离子电池的发展提供了新方向。

研究结果提出了一种新的设计思路，有望使安全、经济的水系锌离子电池在实现快速充放电的同时存储更多能量。这一方法有望帮助提升水系电池在大规模储能系统等应用中的性能。

Sarah S. Park表示：“这项研究证明，过去被视为可能损害电池性能的‘捣乱者’——质子，实际上可以被用于存储更多能量。我们预计，将这一原理应用于各种电极材料，将推动开发出能够快速存储更多能量的电池。”