Высокопроизводительные водные цинк-ионные аккумуляторы на основе металлоорганических каркасных материалов

Перезаряжаемые водные цинк-ионные аккумуляторы (ZIB) привлекают все большее внимание для применения в системах крупномасштабного хранения энергии благодаря высокой безопасности, хорошей способности к работе при высоких токовых нагрузках и низкой стоимости. Однако дальнейшее развитие ZIB сдерживается двумя основными проблемами: известные в настоящее время катодные материалы обычно характеризуются быстрым снижением емкости или высокой токсичностью, а нестабильное растворение/осаждение цинка на цинковом аноде существенно сокращает ресурс циклирования ZIB. В настоящей работе предложено использовать металлоорганические каркасные материалы (MOF) для одновременного решения этих проблем и создания высокопроизводительных ZIB с катодами из MOF Mn(BTC) и анодами из цинка с покрытием ZIF-8 (ZIF-8@Zn). Были синтезированы различные MOF-материалы; установлено, что MOF Mn(BTC) обладает наилучшей способностью к накоплению Zn2+ с емкостью 112 мА·ч·г−1. Механизм накопления Zn2+ в Mn(BTC) был подробно изучен. Кроме того, аноды ZIF-8@Zn были изготовлены путем нанесения MOF-материала ZIF-8 на цинковую фольгу. Уникальная пористая структура покрытия ZIF-8 обеспечивала равномерное растворение/осаждение цинка на поверхности цинкового анода. В результате аноды ZIF-8@Zn демонстрировали стабильное поведение при растворении/осаждении цинка, а их ресурс циклирования был в 8 раз выше, чем у цинковой фольги без покрытия. На этой основе были созданы высокопроизводительные водные ZIB с катодами Mn(BTC) и анодами ZIF-8@Zn; они продемонстрировали превосходную стабильность при длительном циклировании без заметного снижения емкости после 900 циклов заряда/разряда. Эта работа открывает новые возможности для создания высокопроизводительных систем хранения энергии.