Auf dem Weg zu grüneren Akkus

Nachhaltiger und kostengünstiger: organische Batterie mit hoher Kapazität

25.04.2023 - China

Unsere heutigen Akkus, z.B. auf der Basis von Lithium-Ionen, sind alles andere als nachhaltig. Eine Alternative sind organische Akkus mit sogenannten redox-organischen Elektrodenmaterialien (OEMs), die ausgehend von natürlichen „grünen“ Materialien synthetisiert werden könnten. Ein chinesisches Team stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein neues OEM für wässrige organische Hochleistungsakkumulatoren vor, das sich einfach und kostengünstig recyceln lässt.

Traditionelle anorganische Elektrodenmaterialien in kommerziellen Akkumulatoren bringen ein ganzes Spektrum an Problemen mit sich: limitierte Ressourcen und toxische Elemente, Umweltprobleme und teils inakzeptable Förderbedingungen, begrenzte elektrische Kapazität, Schwierigkeiten beim Recycling und hohen Kosten. Auf dieser Basis lassen sich keine nachhaltigen Akkus im großen Maßstab entwickeln, die aber für eine Energiewende unabdingbar sind.

Organische Batterien mit OEMs als Alternative stehen allerdings noch ganz am Anfang ihres weiten Wegs bis zur praktischen Anwendung. Einen bedeutenden Schritt hat jetzt das Team um Chengliang Wang von der Huazhong University of Science and Technology getan. Ziel ist, OEMs in Akkus mit wässrigen Elektrolyten anwenden. Diese sind „grüner“, nachhaltiger und kostengünstiger als konventionelle organische Elektrolyte in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.

Als OEM wählte das Team mit Azobenzol ein Material, das kostengünstig großtechnisch hergestellt werden kann und in Wasser unlöslich, aber gut löslich in organischen Lösungsmitteln ist. Während andere Atomgruppierungen meist nur ein Elektron übertragen können, ist die Azo-Gruppe (–N=N–) des Moleküls in der Lage, zwei Elektronen reversibel zu übertragen, was zu einer hohen Kapazität beiträgt. Wie umfassende Analysen zeigten, wird Azobenzol während der Entladung nach Aufnahme der zwei Elektronen in Hydrazobenzol umgewandelt – durch eine rasche, reversible Bindung von zwei Protonen (H⁺). Prototypen für Knopfzellen sowie verschieden große laminierte Pouchzellen mit Azobenzol-OEMs und Zink-Gegenelektroden erreichten Kapazitäten in der Größenordnung von Ampèrestunden, die auch nach über 200 Lade/Entlade-Zyklen erhalten blieben.

Anders als polymere OEMs lassen sich die kleinen Azobenzol-Moleküle kostengünstig durch einfache Extraktion mit kommerziellen organischen Lösungsmitteln recyceln. Das Elektrodenmaterial ist sowohl im geladenen als auch um ungeladenen Zustand an Luft stabil und ließ sich in jedem Ladungszustand mit Ausbeuten von mehr als 90% recyceln. Die Rezyklate konnten direkt wieder als OEM eingesetzt werden – ohne Kapazitätseinbußen.