Jilin University: катод с ‒OH на нанотрубках сохранил 89,34% ёмкости после 10000 циклов в Zn-I2

Исследователи из Jilin University и Changchun Institute of Applied Chemistry разработали самонесущие катоды из углеродных нанотрубок (SSCC) с контролируемыми поверхностными функциональными группами для водных Zn-I2 батарей, сообщает EurekAlert. Вариант с гидроксильными группами, SSCC-OH/I2, показал начальную обратимую ёмкость 175,5 мА·ч/г при 1 А/г и сохранил 89,34% после более чем 10000 циклов, что соответствует более 3500 часов, сообщили авторы eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗. Работа опубликована в Science China Chemistry.

Почему иодный катод пришлось переработать

Водные цинк-ионные батареи используют цинковый металлический анод с высокой теоретической удельной ёмкостью и водный электролит, безопасный по своей природе. Среди них Zn-I2 ячейки отличаются длительной циклической стабильностью, хорошей скоростной характеристикой и высокой теоретической ёмкостью. Однако у иодных катодов низкая электропроводность, они меняют объём при циклировании и страдают от челночного эффекта I3− eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

Опираясь на расчёты методом теории функционала плотности, команда сравнила исходные нанотрубки и нанотрубки с гидроксильными (‒OH), карбоксильными (‒COOH) и аминными (‒NH2) группами. Вариант с ‒OH показал самую сильную адсорбцию форм иода I2. Энергия адсорбции I3− на нём составила −7,42 эВ, энергия взаимодействия −5,69 эВ, что сильнее, чем на исходных, ‒COOH- и ‒NH2-модифицированных нанотрубках eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

Результаты циклирования и пакетной ячейки

Катод SSCC‒OH имел удельную площадь поверхности около 1005 м2/г, что помогало удерживать формы I2 внутри каналов нанотрубок. Спектроскопия и микроскопия подтвердили наличие функциональных групп и равномерную загрузку I2 eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

При плотности тока 10 А/г катод дал начальную ёмкость 120 мА·ч/г при ресурсе 93400 циклов. Спектры комбинационного рассеяния in situ и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ex situ показали обратимое превращение форм иода при заряде и разряде. I3− полностью исчезал в конце заряда и разряда, что авторы считают свидетельством эффективного подавления челночного эффекта eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

Лабораторная пакетная ячейка с высокой загрузкой I2, равной 150 мг, показала рабочее напряжение 1,1 В при 3,612 мА/см2, фактическую ёмкость 23,8 мА·ч и сохранение 91,7% ёмкости после 350 циклов. Исследователи заключают, что химия функциональных групп, особенно модификация ‒OH, улучшает кинетику превращения иода и стабилизирует водные цинк-иодные батареи eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.