Учёные из Гонконгского политехнического университета совместно с коллегами из Шэньчжэньского университета совершили существенный прорыв в области аккумуляторных технологий. Им удалось разработать инновационный катодный материал для водных цинк‑ионных батарей, который демонстрирует выдающуюся производительность в экстремальных температурных условиях.
Ключевым достижением стала разработка композитного катода на основе K⁺ и C₃N₄ с совместной интеркаляцией NH₄V₄O₁₀ (KNVO‑C₃N₄). В отличие от традиционных решений, новая структура обладает увеличенным межслойным расстоянием — 10,62 Å, а также повышенным содержанием кислородных вакансий. Эти особенности обеспечивают исключительную структурную стабильность материала при многократном циклическом использовании.
Суть инновационного подхода заключается в синергетическом эффекте от совместной интеркаляции ионов K⁺ и молекул C₃N₄. Такое сочетание существенно снижает электростатическое взаимодействие между ионами Zn²⁺ и слоем [VOn], одновременно уменьшая диффузионный барьер для ионов цинка. В результате достигается значительное улучшение кинетической стабильности и общей производительности катода.
Экспериментальные данные подтверждают впечатляющие характеристики нового материала. При комнатной температуре катод демонстрирует удельную ёмкость 228,4 мА·ч/г при плотности тока 20 А/г. После 10 000 циклов зарядки‑разрядки ёмкость сохраняется на уровне 174,2 мА·ч/г. Показатели удельной мощности и энергии достигают 210,0 Вт·ч/кг при 14 200 Вт/ч/кг.
Особенно примечательна работоспособность материала в экстремальных температурных режимах. Даже при −20 °C катод сохраняет ёмкость 111,3 мА·ч/г, а при 60 °C показатель возрастает до 208,6 мА·ч/г (при той же плотности тока 20 А/г). Такие характеристики открывают широкие возможности для применения аккумуляторов в носимых устройствах, сетевой энергетике и электронике, эксплуатируемой в холодном климате.
Важным преимуществом новой технологии является её масштабируемость. Исследователи применили экономически эффективные методы гидротермальной обработки и перемешивания, которые легко адаптируются для промышленного производства.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nano‑Micro Letters, не только демонстрируют потенциал нового катодного материала, но и закладывают основу для дальнейших разработок в этой области. Научная группа под руководством профессора Цзыцзяня Ли планирует продолжить работу над оптимизацией электролитов и изучением других соинтеркалянтов для расширения температурного диапазона применения.
Полученные данные указывают на принципиально новый подход к конструированию высокоэффективных катодов. Регулирование межслоевого расстояния путём варьирования содержания C₃N₄ позволяет целенаправленно улучшать кинетику электрохимических реакций, что открывает перспективы для создания аккумуляторов нового поколения с беспрецедентной стабильностью и производительностью.