Метилирование помогает достичь большей емкости аккумуляторных элементов

Натрий-ионные аккумуляторы являются перспективной альтернативой литий-ионным, поскольку содержат более дешевые и экологически чистые материалы, чем литий-ионные. Однако они 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. Ученым из Китайской академии наук в Циндао удалось модифицировать гидрогель для натрий-ионной батареи так, 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 ученых 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, исследователи не заметила никаких признаков распада на электродах, материал показал 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 технологии 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.