北京
一种新型MOF电极让水系锌电池按顺序储存锌离子和质子，从而实现更高的储能。
韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出一种用于水系锌离子电池的电极，它利用质子来增加储能，而不是将质子视为性能问题的来源。这种方法有望帮助这类电池储存更多能量，同时在快速充放电过程中保持性能。
该电极由二维导电金属有机框架（MOF）制成，这是一种通过有机分子连接金属组分而形成的多孔材料。研究人员用胺基官能团对其微观孔道进行了修饰，以控制不同离子进入电极的时机。
关键在于离子储存的顺序。锌离子在较高电压下首先进入电极，而小得多的质子则在电压下降时随后被储存。这使得电极能够同时利用两种电荷载体，而不会让质子反应干扰锌离子储存。
这一点很重要，因为水系锌离子电池使用水基电解液，具有火灾风险较低、潜在成本较低等优势。但锌离子在电极中移动相对缓慢，使得这类电池难以同时兼顾高能量储存和快速充放电。
锌离子先占位
质子小得多且移动迅速，但过多的质子反应会在电极表面产生副产物。这些副产物可能阻碍锌离子移动，降低电池性能。
KAIST团队将这一弱点转化为电极运行策略的一部分。其Cu3(HHTATP)2材料含有胺基，只有当电池达到特定电压时，胺基才会与质子发生反应。
研究人员将这一过程比作先往瓶子里装大鹅卵石，再加入细沙。锌离子先被储存，较小的质子随后占据额外的储存空间。
测试表明，该电极在0.5 A g-1条件下达到了368.7 mAh g-1的储存容量。当充放电速率提高至16倍时，仍保持初始容量的46.9%。
该电极在超过500次快速充放电循环后仍保持稳定，表明这种顺序储存过程能够承受反复运行。
X射线分析证实了锌离子和质子的储存顺序。研究人员还发现，质子可以反复储存和释放，表明其贡献是可逆的。
质子提升电池容量
研究人员表示，控制储存顺序解决了多孔电极材料面临的一大挑战：同时实现高容量和快速离子传输。
该设计不是阻止质子参与电池反应，而是决定它们何时可以发挥作用。这种分子层面的控制可以提供一种方法，在不让不利的质子反应主导电极的前提下，增加水系锌离子电池储存的能量。
水系锌离子电池正被探索用于大规模储能，因为它们使用水基电解液，可以作为一种更安全的替代方案，取代依赖易燃电解液的系统。提高其容量和应对更快循环的能力，可能使它们在固定式储能应用中更加有用。
研究人员强调，这项工作代表一种材料设计策略，而非一款已完成开发的商用电池。同样的原理有可能应用于其他电极材料，以控制多种电荷载体。
KAIST的Sarah S. Park教授表示：“这项研究表明，质子此前被视为可能降低电池性能的‘麻烦制造者’，而现在反而可以用来储存更多能量。我们期望将这一原理应用于各种电极材料，将有助于开发能够快速储存更大容量能量的电池。”
该研究已发表在国际化学期刊《Chem》上。
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