자기 이온 운반체로 사용되는 금속 유기 프레임워크 나노시트

2023년 8월 31일

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작성자: Li Yuan, 중국과학원

수성 재충전 가능한 아연 이온 배터리는 저렴한 비용과 본질적인 안전성으로 인해 전기 그리드 저장을 위한 유망한 구성 요소입니다. 그러나 실제 구현은 아연 양극의 열악한 가역성으로 인해 방해를 받고 있으며, 이는 주로 수상돌기 및 부반응으로 존재하는 혼란스러운 Zn 증착으로 인해 발생합니다.

최근 중국과학원(CAS) 대련화학물리연구소(DICP) 양 웨이센(Yang Weishen) 교수와 주카이웨(Zhu Kaiyue) 박사가 이끄는 연구그룹은 고분자 Zn2+ 캐리어를 수입해 '이온 캐리어'를 활용하는 전략을 제안했다. 불균일한 전기장과 기판으로부터 이온 플럭스를 분리하기 위한 큰 질량 대 전하 비율. 이 방법은 수상돌기와 부반응 문제를 극복하는 효율적인 경로를 제공합니다.

이번 연구는 에너지&환경과학(Energy & Environmental Science) 8월 18일자에 게재됐다.

연구진은 1차원 채널 구조와 우선적인 Zn2+ 흡착으로 인해 전기장 하에서 이동 능력을 갖추고 리간드와 아연 이온 사이의 약한 배위로 인한 독특한 환원 화학을 특징으로 하는 금속 유기 골격(MOF) 나노시트가 다음을 가능하게 한다는 것을 발견했습니다. 동적 Zn2+ 이온 운반체 역할을 합니다.

동적 MOF 나노시트는 사이클링 중에 아연 양극을 지속적으로 최적화할 수 있습니다. 구체적으로, 아연 전극은 수평으로 정렬된 라멜라형 형태 및 강화된 (002) 질감을 향해 점진적으로 재구성되었으며, 상대 질감 계수는 96.9(최대값 100)를 나타냅니다. 형태와 질감에 대한 이러한 최적화는 MOF 나노시트의 제약에 의한 Zn2+ 이온의 수평 정렬에 기인할 수 있습니다.

추가적으로, MOF 리간드의 존재는 바람직하지 않은 Zn4SO4(OH)6·4H2O 부산물의 제거에 기여했습니다. 이러한 부산물은 리간드의 독특한 특성을 통해 자발적으로 유용한 MOF 나노시트로 전환되었습니다. 결과적으로, 전해질에 MOF 나노시트를 사용하는 Zn||Zn 대칭 셀과 Zn||(NH4)2V10O25·8H2O 전체 셀은 낮은 속도와 높은 속도 모두에서 뛰어난 사이클링 성능을 나타냈습니다.

Yang 교수는 “'이온 운반체' 전략의 다양성은 다양한 리간드, 기질 및 전해질에 대한 폭넓은 적용 가능성으로 인해 다른 재충전 가능한 금속 전지에서 고도로 가역적인 사이클링을 달성하도록 잠재적인 확장 가능성을 제시합니다.”라고 말했습니다.

추가 정보: Hanmiao Yang 외, 자가 최적화 아연 양극을 위한 이온 운반체로서의 MOF 나노시트, 에너지 및 환경 과학(2023). DOI: 10.1039/D3EE01747H

저널 정보:에너지 및 환경 과학

중국과학원 제공