Nanoplaten van metaalorganisch raamwerk gebruikt als ionendragers voor zelfgeoptimaliseerde zinkanode

Waterige oplaadbare zinkionbatterijen zijn veelbelovende componenten voor elektriciteitsnetopslag vanwege hun lage kosten en intrinsieke veiligheid. De praktische implementatie ervan wordt echter belemmerd door de slechte omkeerbaarheid van de zinkanode, voornamelijk veroorzaakt door de chaotische Zn-afzetting die aanwezig is als dendriet en nevenreacties.

Onlangs heeft een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Yang Weishen en dr. Zhu Kaiyue van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) een strategie voorgesteld waarbij gebruik wordt gemaakt van “ionendragers” door macromoleculair zink te importeren²⁺ dragers met een grote massa-ladingsverhouding om de ionenflux te ontkoppelen van het inhomogene elektrische veld en substraat. Deze methode biedt een efficiënt pad om de dendriet- en nevenreactieproblemen te overwinnen.

Deze studie is gepubliceerd in Energie- en milieuwetenschappen op 18 augustus.

De onderzoekers ontdekten dat MOF-nanosheets (metaalorganisch raamwerk) met migratievermogen onder een elektrisch veld vanwege hun eendimensionale kanaalstructuur en preferentiële Zn²⁺ adsorptie, evenals de unieke reductieve chemie als gevolg van de zwakke coördinatie tussen liganden en zinkionen, zorgt ervoor dat ze kunnen dienen als dynamisch Zn²⁺ ionendragers.

De dynamische MOF-nanosheets zouden de zinkanode tijdens het fietsen voortdurend kunnen optimaliseren. In het bijzonder werd de zinkelektrode geleidelijk gereconstrueerd in de richting van een horizontaal uitgelijnde lamellenachtige morfologie en verbeterde (002) textuur, waarbij een relatieve textuurcoëfficiënt van 96,9 (maximale waarde van 100) werd getoond. Deze optimalisatie van de morfologie en textuur kan worden toegeschreven aan de horizontale uitlijning van Zn²⁺ ionen door de beperkingen van MOF-nanosheets.

Bovendien droeg de aanwezigheid van MOF-liganden bij aan de eliminatie van ongewenst Zn₄DUS₄(OH)₆·4H₂O bijproducten. Deze bijproducten werden spontaan omgezet in bruikbare MOF-nanosheets door unieke eigenschappen van liganden. Bijgevolg zijn Zn||Zn symmetrische cellen en Zn||(NH₄)₂V₁₀O₂₅·8H₂O volledige cellen die MOF-nanosheets in elektrolyten gebruiken, vertoonden uitstekende fietsprestaties bij zowel lage als hoge snelheden.

“De veelzijdigheid van de ‘ionendrager’-strategie is veelbelovend voor potentiële uitbreiding naar het bereiken van zeer omkeerbare cycli in andere oplaadbare metaalcellen, vanwege de brede toepasbaarheid ervan op verschillende liganden, substraten en elektrolyten”, aldus prof. Yang.