Neu vorgeschlagene Strategie in der Chemie wirft Licht auf bessere Anwendungen in Energiegeräten

Ein Forschungsteam hat eine neue Strategie vorgeschlagen, um eine Art Molekül namens Zwitterionen-Polyoxometallate zu verwenden, um praktische Anwendungen in Energiegeräten wie Brennstoffzellen und Superkondensatoren zu optimieren und zu erweitern. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Polyoxometallate.

In ihrer Strategie werden die Zwitterionen verwendet, um die Anwendung von polymetallischen Sauerstoffclusterelektrolyten zu optimieren, die aus verschiedenen sauerstoffhaltigen Säuren mit hoher Protonenleitfähigkeit bestehen.

„Die Verwendung eines Zwitterions zur Optimierung der Anwendung von Elektrolyten auf Polyoxometallatbasis in Festkörperkondensatoren kann die Protonenleitfähigkeit, Zyklenstabilität und Kapazitätsleistung verbessern“, sagte Hong-Ying Zang, Professor am Department of Chemistry der Northeast Normal University. Die Arbeit des Teams ist eine innovative Strategie zur Entwicklung der Anwendungen von Zwitterionen und Polyoxometallaten in Superkondensatoren.

Festkörperelektrolyte auf Basis von Polyoxometallaten haben eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Redoxaktivität. Sie haben ein starkes Potenzial in Anwendungen als Festkörperelektrolyte für Energiegeräte der nächsten Generation oder tragbare Elektronik. Als neuer Festkörperelektrolyt weisen Polyoxometallate jedoch noch einige Probleme auf, wie z. B. eine geringe Löslichkeit in Polymeren, insbesondere in Festkörper-Superkondensatoren. „Zwitterion kann dieses Problem mit seiner hohen chemischen Stabilität und seinen nichtflüchtigen Eigenschaften effektiv lösen“, sagte Zang.

Dies wird durch die elektrostatische Kraft zwischen der positiven Ladung des Zwitterions und den Anionen von Polyoxometallaten erreicht, die die Dissoziation von Polyoxometallaten fördert und ihre Löslichkeit weiter verbessert. Außerdem kann sich der negativ geladene Teil mit den Kationen verbinden, was dem schnellen Ionentransport förderlich ist.

Ein Zwitterion ist ein Molekül, das sowohl positive als auch negative elektrische Ladungen enthält. Sie werden manchmal als „innere Salze“ bezeichnet. Die Kationen und Anionen der Zwitterionen sind durch kovalente Bindungen gebunden. Wissenschaftler haben Zwitterionen zur Verwendung in Tensiden, Oberflächenbeschichtungen und Katalysatoren sowie als Bausteine ​​für Flüssigkristalle und Blockcopolymere untersucht.

Zwitterionen sind auch nicht flüchtig, geladen und nicht migrierend und werden hauptsächlich als Elektrolytzusätze verwendet oder Polymergelen zugesetzt, was große potenzielle Anwendungsaussichten zeigt. Zwitterionische Strukturen sind vielfältig, und verschiedene ionische Gruppen in ihren Strukturen beeinflussen ihre chemischen, thermischen und elektrochemischen Eigenschaften. Daher war es für das Team entscheidend, eine geeignete zwitterionische Struktur auszuwählen, um das Elektrolytsystem so weit wie möglich zu optimieren.

Das Team wählte ein Zwitterion namens MIMPS als molekularen Zusatz, um die Löslichkeit und Dissoziation von Polyoxometallaten in Gelelektrolyten zu verbessern. Das Zwitterion wird verwendet, um die Polyoxometallate zu dissoziieren oder aufzubrechen, wobei es sich auf das Drücken und Ziehen positiver und negativer Ladungen verlässt, um mit dem Polyoxometallat-Anion zu interagieren. Diese Wechselwirkung verringert die Bindungswirkung auf Protonen und setzt mehr aktive Protonen frei, was die Protonenleitfähigkeit verbessert.

Als nächstes untersuchte das Team seine Anwendung als Festelektrolyt in Festkörper-Superkondensatoren. „Die Löslichkeit wurde verbessert und mittlerweile wurde die Protonenleitfähigkeit von Polyoxometallat-basierten Elektrolyten mit der Zwitterion-Modifikation etwa dreimal verbessert“, sagte Zang. Durch die Zugabe des Zwitterions wurden sowohl die Leitfähigkeit des Gelelektrolyten als auch die Leistung der Festkörperkondensatoren verbessert.

Zwitterionen unterstützen das Design neuer Materialien als wertvolle Alternativen zu ionischen Materialien, die traditionell in Elektrolyten verwendet werden. Die überwiegende Mehrheit der Zwitterionen, die derzeit in elektrochemischen Geräten verwendet werden, sind eine Klasse von Materialien mit funktionellen Sulfonsäuregruppen. Wenn Festelektrolyten Zwitterionen zugesetzt werden, erhöhen sie den Zielionentransport, verbessern die Stabilität der Gegenelektrode und bilden leitfähigere Festelektrolytgrenzflächen.

Mit Blick auf die Zukunft sieht das Team die Möglichkeit breiterer Anwendungen für die Verwendung dieser zwitterionischen Elektrolyte auf Polyoxometallatbasis. „Wir versuchen, die Entwicklung anderer Arten von Polyoxometallaten in Elektrolyten zu erreichen. Wir wollen schließlich Polyoxometallat-Elektrolyte in mehr elektrochemischen Geräten verwenden, einschließlich Flüssig- oder Festkörperbatterien und Kondensatoren“, sagte Zang.