中国の研究者らは、ヒドロゲル電解質をメチル化し、塩の吸収性と安定性を高めることで、ナトリウムイオン電池の性能を大幅に向上させた。この進歩により、これらの環境に優しい電池の効率が向上するだけでなく、さまざまな技術におけるヒドロゲルの使用の新たな可能性も開かれます。

携帯用電子機器で一般的に使用されるフレキシブル水電池には、通常、水と塩で構成されるヒドロゲル電解質が含まれています。中国の研究チームは、ナトリウムイオン電池のヒドロゲルの塩安定性の改善において大きな進歩を遂げた。彼らはヒドロゲルの構造ポリマーをメチル化し、塩析を防止し、それによってバッテリーの容量とサイクル性能を向上させました。

彼らの研究結果は最近、AngewandteChemie 誌に掲載されました。

ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン電池よりも安価で環境に優しい材料が含まれているため、リチウムイオン電池の有望な代替品です。ただし、新しいバッテリーには多くの新しいコンポーネントの開発が必要で、そのすべてがナトリウムイオンに適合する必要があります。最も基本的な構成要素の 1 つは電解質であり、薄くて柔軟なバッテリーではヒドロゲルの形をとることがよくあります。これらの柔軟な含水材料は、溶解したナトリウム塩を吸収し、イオンを伝導します。

ヒドロゲルは適していますが、広い電気化学的安定性範囲に必要な高塩濃度での相分離と塩析の発生が未解決の問題です。中国科学院青島エネルギー研究所のCui Guanglei氏らは、より多くの塩を安定かつ安全に吸収できるよう、ナトリウムイオン電池ヒドロゲルの改良に成功した。

これを達成するために、彼らは自然界でも大きな生体高分子の水と塩の結合を調節するために使用されている技術、つまりメチル化を使用しました。タンパク質では、メチル化によりアミン基とアミド基の「キャッピング」が引き起こされ、それによって水分子の架橋結合やタンパク質構造内での塩イオンの可溶化が減少します。

ハイドロゲルに使用されるポリアミドポリマーにもアミド基が含まれているため、水分子による広範な架橋により塩析が発生し、電解質の分解が起こる可能性があります。これを念頭に置いて、研究チームは通常のポリアミドから作られたヒドロゲルと、メチル化アミド基を含むポリアミドから作られたハイドロゲルを比較しました。後者は元のバージョンよりも大幅に多くの塩を吸収します。塩分濃度が記録的な高レベルに達した場合でも、ハイドロゲル電解質は透明で安定した状態を保ちます。

塩含有量が高いということは、バッテリーの電気化学的に利用可能な電圧範囲を広げることができることを意味します。さらに、チームは電極崩壊の兆候をまったく観察せず、サイクル安定性がより優れており、組み立てられた電池は非メチル化電池よりも容量が大きいことを確認しました。このシステムでは、安価なアルミ箔でも集電体として使用できます。

著者らは、単純なポリアミドのメチル化は、ヒドロゲルの耐塩性を高め、より安定させるために、医薬品開発などの他の技術にも使用できる可能性があると示唆しています。