Гибкие водные аккумуляторы, такие как те, что используются в портативной электронике, часто содержат гидрогелевый электролит, содержащий воду и соль. Используя химическую модификацию, вдохновленную природой, команда китайских исследователей в настоящее время значительно повысила солевую стабильность гидрогелей, используемых в натриево-ионных батареях. Простое метилирование структурного полимера гидрогеля предотвратило высаливание и улучшило емкость аккумулятора и циклические характеристики, сообщает команда в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Натриево-ионные аккумуляторы являются многообещающей альтернативой литий-ионным батареям, поскольку они содержат более дешевые и экологичные материалы, чем литий-ионные аккумуляторы. Однако новые аккумуляторы требуют разработки множества новых компонентов, все из которых должны быть адаптированы к ионам натрия. Одним из наиболее важных компонентов является электролит, который в случае тонких, гибких аккумуляторов часто имеет форму гидрогеля. Эти гибкие, содержащие воду материалы поглощают растворенные соли натрия и могут проводить ионы.

Несмотря на пригодность гидрогелей, пока еще нерешенной проблемой является разделение фаз и высаливание при высоких концентрациях соли, необходимых для обеспечения широкого диапазона электрохимической стабильности. Гуанлей Цуй и его коллеги из Китайской академии наук в Циндао, Китай, теперь преуспели в модификации гидрогеля для натрий-ионной батареи, чтобы заставить его поглощать значительно больше соли стабильным и безопасным образом.

Чтобы достичь этого, они обратились к методу, также используемому в природе для регуляции связывания воды и солей в крупных биомолекулах: метилированию. В белках метилирование вызывает “закрывание” аминных и амидных групп, которые становятся менее доступными для молекул воды, играющих роль в сшивании внутри структуры белка и растворении ионов соли.

Поскольку полиамидные полимеры, используемые для гидрогелей, также содержат амидные группы, их обширное сшивание молекулами воды может вызвать высаливание, что приводит к разрушению электролита. Имея это в виду, команда сравнила гидрогель, изготовленный из обычного полиамида, с гидрогелем, изготовленным из полиамида с метилированными амидными группами. Последний был способен поглощать значительно больше соли, чем первоначальный вариант. Даже при рекордно высоких концентрациях соли гидрогелевый электролит оставался прозрачным и стабильным.

Более высокое содержание соли означает, что диапазон электрохимически применимых напряжений элемента может быть расширен. Кроме того, команда не наблюдала никаких признаков распада на электродах, лучшей стабильности при циклировании, а собранный аккумуляторный элемент достиг большей емкости, чем неметилированный вариант. В этой системе можно было даже использовать недорогую алюминиевую фольгу в качестве токосъемника.

Авторы предполагают, что простое метилирование полиамида могло бы также подойти для других технологий, например, при разработке лекарственных препаратов, чтобы сделать гидрогели более устойчивыми к солям и, следовательно, более стабильными.