Однако перемещение ионов лития – лишь часть задачи. Важно и то, как ведет себя сам материал. В качестве твердых электролитов обычно применяют металл-органические каркасы (MOF) – пористые кристаллические материалы с упорядоченными микроскопическими каналами, способными удерживать или переносить определенные ионы. Это ценное свойство для электролита, но MOF по своей природе жесткие, что может влиять на их контакт с электродами.

Исследователи из департаментов химической и биомолекулярной инженерии, химии, материаловедения и наноинженерии, а также Института передовых материалов Университета Райса создали материал ZnBTCA, в котором используется алифатический линкер, делающий каркас мягче и адаптивнее.

«Электролиты на основе MOF часто проектируют прежде всего исходя из того, насколько эффективно они переносят ионы, – отметила Зина Дериш, аспирантка Университета Райса, участвовавшая в исследовании. – Здесь мы показываем, что механические свойства каркаса также могут быть важной частью дизайна».

Как цинк, так и алифатический линкер, из которых состоит материал, широко распространены и потому дешевы. Кроме того, отрицательно заряженная структура облегчает движение положительно заряженных ионов лития по ее каналам.

«Сочетание этих свойств дает нам новый способ проектирования электролитов на основе MOF, при котором одновременно учитывается и то, как движутся ионы, и то, как материал ведет себя механически», – добавила Ставрула Алина Кампури, доцент химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса.

Процессы зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора могут создавать в электролите нежелательные пути, что повышает риск коротких замыканий. Когда исследователи ввели в электролит гибкий полимер и разместили его между литиевыми металлическими электродами, ячейки стабильно работали более 300 часов даже при росте тока во время испытаний – без коротких замыканий.

Ученые также заменили ионы натрия в структуре на литий. Они обнаружили, что 95 процентов подвижных зарядоуравновешивающих ионов составил литий, и при этом структура не разрушилась. Это показывает, что механическая гибкость наряду с химическим составом, пористой структурой и зарядом также может быть инструментом проектирования для тех, кто работает над электролитами на основе MOF.

«Насколько нам известно, ZnBTCA – первый электролит на основе MOF, созданный из алифатического линкера с гибким углеводородным скелетом, – сказала Сибани Лиза Бисвал, заведующая кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса. – Эта работа показывает, что мы можем мыслить шире одной лишь химии и пористой структуры таких материалов. Механическая гибкость тоже может стать инструментом проектирования при разработке электролитов на основе MOF для твердотельных аккумуляторов».