Ultraschnelle Metallionenbatterien auf Basis eines neuen organischen Kathodenmaterials

05.06.2019 - Russische Föderation

Forscher des Skoltech Center for Energy Science and Technology, des IPCP RAS und der D.I. Mendeleev University of Chemical Technology haben ein neues Polymerkathodenmaterial für ultraschnelle Metallionenbatterien mit hervorragenden Eigenschaften entwickelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Journal of Material Chemistry A veröffentlicht.

In den letzten Jahrzehnten ist der Weltenergieverbrauch aufgrund des Bevölkerungswachstums, der Industrialisierung und der Entwicklung einer großen Vielfalt von Haushaltsgeräten und Elektronik deutlich gestiegen, wobei insbesondere die Zahl der mobilen Geräte und Elektrofahrzeuge gestiegen ist. Daher ist es dringend erforderlich, elektrochemische Energiespeichertechnologien und -geräte zu entwickeln, die in der Lage sind, ausreichende Energiemengen zu speichern und bei Bedarf schnell freizusetzen. Trotz der Tatsache, dass Lithium-Ionen-Batterien auf Basis anorganischer Schichtoxide und -phosphate den Markt dominieren, ist eine weitere Leistungssteigerung eine Herausforderung, da sie aus schweren Elementen bestehen, die die erreichbare Kapazität einschränken. Dieses Problem kann durch den Einsatz von organischen Verbindungen als Kathodenmaterial gelöst werden. Organische Kathoden bieten solche Vorteile wie hohe Energiedichte, beeindruckende Lade-/Entladefähigkeit und gute Beständigkeit gegen starke mechanische Verformungen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist ihre hohe Umweltverträglichkeit, da organische Materialien nur aus natürlich vorkommenden Elementen (C, H, N, O, S) bestehen und aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können. In Abwesenheit von Schwermetallen kann deren Recycling auf die gleiche Weise erfolgen wie bei gewöhnlichen Haushaltsabfällen, z.B. Lebensmittelkunststoff. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von organischen Kathoden, teure Lithiumsalze im Elektrolyten durch wesentlich kostengünstigere Natrium- und Kaliumanaloge zu ersetzen.

Unter den zahlreichen Projekten des Forschungsteams von Professor Pavel Troshin wird besonderes Augenmerk auf die Entwicklung neuartiger Verbindungen vom Typ Polyphenylamin gelegt, die eine der vielversprechendsten Familien von organischen Kathodenmaterialien für Metallionenbatterien darstellen.

"Kathodenmaterialien auf Basis von Polytriphenylamin und seinen in der Literatur beschriebenen Analoga weisen in Metallionenbatterien recht hervorragende Eigenschaften auf. Insbesondere weisen sie hohe Entladepotenziale und eine gute Zyklenfestigkeit auf und können mit hohen Lade-/Entladeraten betrieben werden. Niedrige spezifische Kapazitäten schränken jedoch die Vermarktung dieser Materialgruppe ein. Daher haben wir unsere Bemühungen auf das molekulare Design und die Synthese einer neuen Gruppe von Makromolekülen konzentriert, die potenziell eine höhere Energiedichte liefern können. Tatsächlich zeigte eines der entwickelten Materialien eine ausgezeichnete Leistung beim Laden und Entladen mit den aktuellen Geschwindigkeiten von bis zu 200°C (das vollständige Laden und Entladen dauert nur 18 Sekunden, Anmerkung des Herausgebers). Es ist wichtig, dass es uns neben Lithium auch gelungen ist, Natrium- und Kaliumionenbatterien aus dem gleichen Material herzustellen." - sagt der erste Autor der veröffentlichten Arbeit, Skoltech Doktorand, Filipp Obrezkov.

Die erzielten Ergebnisse bestätigen somit ein signifikantes Potenzial für die Verwendung organischer Verbindungen als Kathoden für ultraschnelle Metallionenbatterien. Die Weiterentwicklung dieses Projekts könnte zur Entwicklung einer neuen Generation von Batteriematerialien mit noch höherer spezifischer Kapazität und Energiedichte führen, die bei hohen Stromdichten erreicht werden können und die dringend benötigt werden, um den aktuellen und zukünftigen Bedarf auf dem Markt für tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge zu decken.

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