27.05.2021 - Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech)

Forscher schlagen ein attraktives, billiges organisches Material für Batterien vor

Neues molekulares Konstruktionsprinzip für Batteriepolyimide

Ein neuer Bericht von Skoltech-Wissenschaftlern und ihren Kollegen beschreibt ein organisches Material für die neue Generation von Energiespeichern, dessen Struktur einem eleganten molekularen Designprinzip folgt. Er wurde kürzlich in ACS Applied Energy Materials veröffentlicht und schaffte es auf das Cover der Zeitschrift.

Während die moderne Welt immer stärker auf Energiespeicher angewiesen ist, wird es immer wichtiger, nachhaltige Batterietechnologien zu implementieren, die umweltfreundlicher sind, einfach zu entsorgen sind, nur auf reichlich vorhandene Elemente zurückgreifen und billig sind. Organische Batterien sind wünschenswerte Kandidaten für solche Zwecke. Organische Kathodenmaterialien, die viel Energie pro Masseneinheit speichern, sich schnell aufladen lassen, langlebig sind und sich gleichzeitig leicht in großem Maßstab herstellen lassen, sind jedoch noch unterentwickelt.

Um dieses Problem zu lösen, schlugen Forscher von Skoltech ein einfaches redoxaktives Polyimid vor. Es wurde durch Erhitzen einer Mischung aus einem aromatischen Dianhydrid und meta-Phenylendiamin, beides leicht zugängliche Reagenzien, synthetisiert. Das Material zeigte vielversprechende Eigenschaften in verschiedenen Arten von Energiespeichern, wie Lithium-, Natrium- und Kalium-basierten Batterien. Es hatte hohe spezifische Kapazitäten (bis zu ~140 mAh/g), relativ hohe Redox-Potentiale, sowie eine gute Zyklenstabilität (bis zu 1000 Zyklen) und die Fähigkeit, schnell zu laden (<1 min).

Die Energie- und Leistungsausbeute des neuen Materials war im Vergleich zu seinem bisher bekannten Isomer, das von para-Phenylendiamin abgeleitet ist, überlegen. Mit Hilfe von Mitarbeitern des Instituts für Probleme der chemischen Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften wurde gezeigt, dass es zwei Gründe für die bessere Leistung des neuen Polyimids gab. Erstens hatte es kleinere Teilchen und eine viel höhere spezifische Oberfläche, was eine leichtere Diffusion der Ladungsträger ermöglichte. Zweitens erlaubte die räumliche Anordnung der benachbarten Imideinheiten im Polymer eine energetisch günstigere Bindung von Metallionen, was die Redoxpotentiale erhöhte.

"Diese Arbeit ist nicht nur deshalb interessant, weil ein weiteres organisches Kathodenmaterial erforscht wurde", - sagt Roman Kapaev, ein Skoltech-Doktorand, der diese Studie entworfen hat, - "Was wir vorschlagen, ist ein neues molekulares Designprinzip für Batteriepolyimide, nämlich die Verwendung von aromatischen Molekülen mit Aminogruppen in Meta-Positionen als Bausteine. Lange Zeit haben Wissenschaftler diesem Strukturmotiv wenig Aufmerksamkeit geschenkt und stattdessen para-Phenylendiamin oder ähnliche Strukturen verwendet. Unsere Ergebnisse sind ein guter Hinweis für das Verständnis, wie die Batteriepolyimide auf molekularer Ebene gestaltet werden sollten, und es könnte zu Kathodenmaterialien mit noch besseren Eigenschaften führen".

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