19.04.2022 - Tohoku University

Eine metallfreie organische Lithium-Ionen-Batterie der 4-V-Klasse rückt in greifbare Nähe

Umweltfreundliche organische Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien

Ein gemeinsames Forschungsteam der Tohoku University und der University of California, Los Angeles (UCLA) hat einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zu metallfreien Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien erzielt, die ein kleines organisches Molekül, die Krokonsäure, verwenden. Dieser Durchbruch bringt uns der Verwirklichung metallfreier, hochenergetischer und kostengünstiger Lithium-Ionen-Batterien näher.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die auf seltene Erden wie Kobalt und Lithium angewiesen sind, nutzen organische Batterien natürlich vorkommende Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Darüber hinaus haben organische Batterien eine größere theoretische Kapazität als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, da sie durch die Verwendung organischer Materialien leichter sind. Die meisten bisher berichteten organischen Batterien haben jedoch eine relativ niedrige Arbeitsspannung (1-3 V). Eine Erhöhung der Spannung organischer Batterien wird zu Batterien mit höherer Energiedichte führen.

Itaru Honma, Chemieprofessor am Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials der Tohoku-Universität, Hiroaki Kobayashi, Assistenzprofessor für Chemie an der Tohoku-Universität, und Yuto Katsuyama, Doktorand an der UCLA, fanden heraus, dass Krokonsäure als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Arbeitsspannung von etwa 4 V aufrechterhält.

Krokonsäure hat fünf Kohlenstoffatome, die in fünfeckiger Form aneinander gebunden sind, und jedes dieser Kohlenstoffatome ist an Sauerstoff gebunden. Außerdem hat es eine hohe theoretische Kapazität von 638,6 mAh/g, die viel höher ist als die herkömmlicher Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "Wir haben das elektrochemische Verhalten von Krokonsäure im Hochspannungsbereich oberhalb von 3 V anhand theoretischer Berechnungen und elektrochemischer Experimente untersucht", so Kobayashi. "Wir fanden heraus, dass Krokonsäure Lithiumionen bei etwa 4 V speichert, was eine sehr hohe theoretische Energiedichte von 1949 Wh/kg ergibt, die größer ist als die der meisten anorganischen und organischen Lithium-Ionen-Batterien".

Obwohl die theoretische Kapazität in dieser Studie nicht erreicht wurde, sind die Forscher optimistisch, dass sie durch die Entwicklung stabiler Hochspannungselektrolyte und chemischer Modifikationen der Krokonsäure gesteigert werden kann. Da die meisten Elektrolyte einer so hohen Arbeitsspannung der Krokonsäure nicht standhalten können, ist die Entwicklung neuer Elektrolyte unerlässlich. Außerdem lassen sich die Strukturen kleiner organischer Moleküle, darunter auch die von Krokonsäure, leicht verändern. Eine geeignete strukturelle Veränderung kann das Molekül stabilisieren, was zu einer höheren Kapazität und Reversibilität führt.

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