Eine neuartige, vollständig feste, wiederaufladbare Luftbatterie
"Diese Technologie kann die Batterielebensdauer von kleinen elektronischen Geräten wie Smartphones verlängern"
Metalle werden normalerweise als aktive Materialien für negative Elektroden in Batterien verwendet. In jüngster Zeit wurden redoxaktive organische Moleküle, wie z. B. Moleküle auf Chinon- und Aminbasis, als negative Elektroden in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien mit sauerstoffreduzierenden positiven Elektroden verwendet. Hier sind Protonen und Hydroxid-Ionen an den Redox-Reaktionen beteiligt. Solche Batterien weisen eine hohe Leistung auf, die nahe an der theoretisch möglichen Höchstkapazität liegt. Darüber hinaus werden durch die Verwendung redoxaktiver organischer Moleküle in wiederaufladbaren Luftbatterien die mit Metallen verbundenen Probleme überwunden, einschließlich der Bildung von Strukturen, den so genannten "Dendriten", die die Batterieleistung beeinträchtigen und negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Diese Batterien verwenden jedoch - genau wie Batterien auf Metallbasis - flüssige Elektrolyte, die große Sicherheitsbedenken wie hohen elektrischen Widerstand, Auslaugungseffekte und Entflammbarkeit mit sich bringen.
In einer neuen Studie, die am 2. Mai 2023 in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht wurde, hat eine Gruppe japanischer Forscher eine wiederaufladbare Luftbatterie in festem Zustand (SSAB) entwickelt und ihre Kapazität und Haltbarkeit untersucht. Die Studie wurde von Professor Kenji Miyatake von der Waseda University und der University of Yamanashi geleitet und von Professor Kenichi Oyaizu von der Waseda University mitverfasst.
Die Forscher wählten eine Chemikalie namens 2,5-Dihydroxy-1,4-benzochinon (DHBQ) und ihr Polymer Poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzochinon-3,6-methylen) (PDBM) als aktive Materialien für die negative Elektrode aufgrund ihrer stabilen und reversiblen Redoxreaktionen unter sauren Bedingungen. Darüber hinaus verwendeten sie ein protonenleitendes Polymer namens Nafion als Festelektrolyt und ersetzten damit herkömmliche flüssige Elektrolyte. "Soweit ich weiß, wurden bisher noch keine Luftbatterien auf der Basis von organischen Elektroden und festen Polymerelektrolyten entwickelt", sagt Miyatake.
Nachdem die SSAB eingebaut war, untersuchten die Forscher experimentell die Lade- und Entladeleistung, die Leistungsmerkmale und die Zyklierbarkeit. Sie stellten fest, dass sich die SSAB im Gegensatz zu typischen Luftbatterien, die eine negative Metallelektrode und einen organischen Flüssigelektrolyten verwenden, in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff nicht verschlechtert. Außerdem wurde durch den Ersatz des redoxaktiven Moleküls DHBQ durch sein polymeres Gegenstück PDBM eine bessere negative Elektrode gebildet. Während die Entladekapazität pro Gramm SSAB-DHBQ 29,7 mAh betrug, lag der entsprechende Wert für SSAB-PDBM bei 176,1 mAh, bei einer konstanten Stromdichte von 1 mAcm-2.
Die Forscher fanden auch heraus, dass der coulombische Wirkungsgrad von SSAB-PDBM bei 4 C 84 % betrug, der bei 101 C allmählich auf 66 % sank. Während die Entladekapazität von SSAB-PDBM nach 30 Zyklen auf 44 % sank, konnten die Forscher sie durch Erhöhung des protonenleitenden Polymeranteils der negativen Elektrode deutlich auf 78 % verbessern. Elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten, dass die Zugabe von Nafion die Leistung und Haltbarkeit der PDBM-basierten Elektrode verbesserte.
Diese Studie demonstriert den erfolgreichen Betrieb einer SSAB, die redoxaktive organische Moleküle als negative Elektrode, ein protonenleitendes Polymer als Festelektrolyt und eine sauerstoffreduzierende, diffusionsartige positive Elektrode umfasst. Die Forscher hoffen, dass diese Technologie den Weg für weitere Fortschritte ebnen wird. "Diese Technologie kann die Batterielebensdauer kleiner elektronischer Geräte wie Smartphones verlängern und schließlich zur Verwirklichung einer kohlenstofffreien Gesellschaft beitragen", schließt Miyatake.
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