중국 연구자들은 하이드로겔 전해질을 메틸화하여 염 흡수성과 안정성을 높임으로써 나트륨 이온 배터리의 성능을 크게 향상시켰습니다. 이러한 발전은 환경 친화적인 배터리의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 기술에서 하이드로겔을 사용할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.
휴대용 전자 장치에 일반적으로 사용되는 유연한 물 배터리에는 일반적으로 물과 소금으로 구성된 하이드로겔 전해질이 포함됩니다. 중국 연구팀이 나트륨 이온 배터리의 하이드로겔의 염 안정성을 향상시키는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 그들은 하이드로겔의 구조 폴리머를 메틸화하여 염석화를 방지함으로써 배터리 용량과 사이클링 성능을 향상시켰습니다.
그들의 연구 결과는 최근 AngewandteChemie 저널에 게재되었습니다.
나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 저렴하고 환경 친화적인 소재를 포함하고 있기 때문에 리튬 이온 배터리의 유망한 대안입니다. 그러나 새로운 배터리에는 많은 새로운 구성 요소의 개발이 필요하며 모든 구성 요소는 나트륨 이온에 적합해야 합니다. 가장 기본적인 구성 요소 중 하나는 얇고 유연한 배터리에서 하이드로겔 형태를 취하는 전해질입니다. 이러한 유연한 수분 함유 물질은 용해된 나트륨 염과 전도 이온을 흡수합니다.
하이드로겔이 적합하지만 해결되지 않은 문제는 넓은 전기화학적 안정성 창에 필요한 높은 염 농도에서 상 분리 및 염석이 발생한다는 것입니다. 중국 과학 아카데미 칭다오 에너지 연구소의 Cui Guanglei와 동료들은 이제 더 많은 염분을 안정적이고 안전하게 흡수할 수 있도록 나트륨 이온 배터리 하이드로겔을 성공적으로 개선했습니다.
이를 달성하기 위해 그들은 큰 생물학적 거대분자의 물-소금 결합을 조절하기 위해 자연에서도 사용되는 기술인 메틸화를 사용했습니다. 단백질에서 메틸화는 아민과 아미드 그룹의 "캡핑"을 유발하여 단백질 구조 내에서 물 분자의 교차 결합 및 염 이온 용해에 대한 접근성을 감소시킵니다.
하이드로겔에 사용되는 폴리아미드 폴리머에는 아미드 그룹도 포함되어 있기 때문에 물 분자에 의한 광범위한 가교로 인해 염석화되어 전해질이 분해될 수 있습니다. 이를 염두에 두고 연구팀은 일반 폴리아미드로 만든 하이드로겔과 메틸화 아미드기를 함유한 폴리아미드로 만든 하이드로겔을 비교했습니다. 후자는 원래 변형보다 훨씬 더 많은 소금을 흡수합니다. 하이드로겔 전해질은 염분 농도가 사상 최고 수준에 도달하는 경우에도 투명하고 안정적인 상태를 유지합니다.
염분 함량이 높을수록 배터리의 전기화학적으로 이용 가능한 전압 범위가 넓어질 수 있습니다. 또한, 연구팀은 전극 분해 징후가 전혀 관찰되지 않았고, 사이클 안정성이 더 좋았으며, 조립된 배터리는 메틸화되지 않은 배터리보다 용량이 더 컸습니다. 이 시스템에서는 값싼 알루미늄 호일이라도 집전체로 사용할 수 있습니다.
저자들은 간단한 폴리아미드 메틸화가 약물 개발과 같은 다른 기술에도 사용될 수 있어 하이드로겔을 내염성 및 안정성이 향상될 수 있다고 제안합니다.