26.04.2022 - Angewandte Chemie

Hohe Ausgangspannung

Sulfonamide als robustes Kathodenmaterial für Protonen-Akkus

Der Protonen-Akku ist ein innovativer und umweltfreundlicher Batterietyp, in dem Protonen als Ladungsträger fungieren, also positiv geladene Wasserstoffionen. Für diesen hat nun ein Forschungsteam organische Sulfonamide als robustes und flexibles Material für die Kathode entwickelt. Wie die Forschenden in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, erreichen die Sulfonamid-basierten Kathoden eine höhere Ausgangsspannung als herkömmliche Kathoden.

Protonen-Akkus gelten als möglicher Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus. Sie speichern die Ladung nicht in Form von Lithiumionen, sondern durch Übertragung der leichten und beweglichen Protonen. Dadurch entfällt bei diesem Batterietyp der umweltschädliche Abbau von Lithium. Zudem sorgen die beweglichen Protonen für deutlich kürzere Ladezeiten als bei anderen Batterietypen.

Verbessert werden muss jedoch noch die Leistung der Elektroden. So erreicht die positive Elektrode, die Kathode, noch eine recht niedrige Ausgangsspannung. Bingan Lu und seine Kolleg:innen von der Hunan-Universität in Changsha (China) haben nun das Material der Elektrode grundlegend verändert. Anstelle von organischen Carbonylverbindungen oder Cyanid-basierten Farbstoffen setzten sie organische Sulfonamide als Kathodenmaterial ein.

Sulfonamide speichern die Protonen nicht am Sauerstoff, wie das bei den Carbonylverbindungen der Fall ist, sondern am Stickstoff der Sulfonamidgruppe. „Das Stickstoffatom hat eine freie Stelle mehr als das Sauerstoffatom, kann fremde Elektronen aufnehmen und wird dadurch viel manipulierbarer“, erläutern die Forschenden.

Durch Anbringen von elektronenziehenden Gruppen am Molekülgerüst steigerten sie das elektrische Potential des Materials. Die erreichte Ausgangsspannung lag bei 1 V, 20% höher als bei den besten konkurrierenden Materialien. Dabei sei durch geschicktes Moleküldesign noch Luft nach oben, schreiben die Forschenden.

Für einen vollständige Protonen-Akku entwickelten Lu und Kolleg:innen auch einen gelartigen Elektrolyten, der an das Kathodenmaterial angepasst war und einen flexiblen Aufbau ermöglichte. Das biegsame Akku-Pack überstand 600 Lade-Entladezyklen ohne Kapazitätsverlust.

Der Vorteil der Sulfonamide sei aber nicht nur die chemische Manipulierbarkeit. Das neue Kathodenmaterial sei auch einfach herzustellen, unter normalen Umgebungsbedingungen stabil und löse sich kaum in Wasser. Da solche Sulfonamid-basierte Protonen-Akkus keine Schwermetalle enthalten, sondern nur aus ungiftigen organischen Verbindungen bestehen, seien sie auch einfach zu recyclen, heißt es in der Studie.

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