Forskare har presenterat ett nytt elektrodmaterial för avancerad energilagringsenhet som laddas direkt med syre från luften. Professor Jeung Ku Kangs team syntetiserade och bevarade subnanometriska partiklar av atomklusterstorlekar vid höga massbelastningar inom metallorganiska ramverk (MOF) genom att kontrollera reaktanternas beteende på molekylär nivå. Denna nya strategi säkerställer hög prestanda för litium-syrebatterier, hyllad som nästa generations energilagringsteknik och flitigt använd i elfordon.

Litium-syrebatterier kan i princip generera tio gånger högre energitätheter än konventionella litiumjonbatterier, men de lider av mycket dålig cykelbarhet. En av metoderna för att förbättra cykelstabiliteten är att minska överpotentialen hos elektrokatalysatorer i katodelektroder. När storleken på ett elektrokatalysatormaterial reduceras till atomnivå, den ökade ytanergin leder till ökad aktivitet samtidigt som materialets agglomerering avsevärt accelereras.

Som en lösning på denna utmaning, Professor Kang från institutionen för materialvetenskap och teknik syftade till att upprätthålla den förbättrade aktiviteten genom att stabilisera elektrokatalysatorer i atomskala till sub-nanometriska utrymmen. Detta är en ny strategi för att samtidigt producera och stabilisera elektrokatalysatorer på atomnivå inom metallorganiska ramverk (MOF).

Metallorganiska ramverk sätter kontinuerligt samman metalljoner och organiska länkar.

Teamet kontrollerade väteaffiniteter mellan vattenmolekyler för att separera dem och överföra de isolerade vattenmolekylerna en efter en genom de sub-nanometriska porerna i MOF. De överförda vattenmolekylerna reagerade med koboltjoner för att bilda di-nukleär kobolthydroxid under exakt kontrollerade syntetiska förhållanden, då stabiliseras kobolthydroxid på atomnivå inuti de sub-nanometriska porerna.

Den di-nukleära kobolthydroxiden som är stabiliserad i de subnanometriska porerna i metall-organiska ramverk (MOF) minskade överpotentialen med 63,9 % och visade tiofaldiga förbättringar i livscykeln.

Professor Kang sa, "Samtidigt generering och stabilisering av elektrokatalysatorer på atomnivå inom MOF kan diversifiera material enligt många kombinationer av metall och organiska länkar. Det kan expandera inte bara utvecklingen av elektrokatalysatorer, men också olika forskningsområden som fotokatalysatorer, medicin, miljön, och petrokemi."

Denna studie rapporterades i Avancerad vetenskap , med titeln "Autogen produktion och stabilisering av högt belastade sub-nanometriska partiklar inom multishell ihåliga metall-organiska ramar och deras användning för hög prestanda i Li-O ₂ Batterier."