Die Dichte ist entscheidend für eine bessere Leistung des Batteriematerials

Ist das der Schlüssel zu einer besseren elektrochemischen Leistung?

23.11.2023

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Zink - billig, reichlich vorhanden, umweltfreundlich - könnte die Antwort auf bessere Batterien sein, aber es gibt ein großes Problem: wässrige Zink-Ionen-Batterien (AZIBs) können in Bezug auf die Leistungsabgabe nicht mit Lithium-Ionen-Batterien mithalten. Um zu testen, mit welcher Zusammensetzung des Elektrodenmaterials AZIBs mithalten können, entwickelte ein chinesisches Forscherteam zwei organische Gerüste mit denselben Bestandteilen, aber in unterschiedlicher Anordnung.

Im Test zeigte sich, dass das Gerüst mit einer angemessenen Dichte an aktiven Stellen - an denen die Zinkionen Elektronen aufnehmen, um die Batterie aufzuladen - eine bessere Leistung erbrachte.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 8. Oktober in Energy Materials and Devices.

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"Seit über einem Jahrzehnt haben AZIBs als vielversprechende Batterietechnologie beträchtliche Aufmerksamkeit erlangt", sagte Meilin Li, Co-Erstautorin, Fakultät für Materialwissenschaften und Energietechnik und des Institute of Technology for Carbon Neutrality, Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT), Chinese Academy of Sciences. "Es wurden verschiedene Elektrodenmaterialien erforscht, wobei anorganische Optionen ausgiebig untersucht wurden. Diese Materialien stoßen jedoch häufig auf Probleme, wie die Verschlechterung der Kristallstruktur und eine begrenzte spezifische Kapazität."

Die organischen Materialien, aus denen die Kathode besteht - in der funktionelle Gruppen während der Lade- und Entladungsreaktionen abwechselnd oxidiert und reduziert werden, was der Aufnahme und Abgabe von Zinkionen entspricht - sind in kristalliner Form angeordnete Moleküle. Diese Moleküle enthalten aktive Stellen, an denen die Ionen reagieren und Elektronen aufnehmen. Anorganische Moleküle sind jedoch nur für eine begrenzte Anzahl von Reaktionen geeignet und können diese nur für eine begrenzte Zeit aufrechterhalten, bevor sie sich zersetzen.

"Im Gegensatz zu anorganischen Materialien weisen organische Materialien bessere Redox-Eigenschaften, eine hohe spezifische Kapazität und strukturelle Flexibilität auf", so Li. "In dieser Arbeit haben wir zwei kovalente organische Gerüstmaterialien (COF) mit der gleichen Struktur und der gleichen Anzahl von Energiegruppen entwickelt, um die Korrelation zwischen der Dichte der aktiven Stellen und der elektrochemischen Leistung zu untersuchen".

Für das erste COF wurde das organische Molekül Benzochinoxalinbenzochinon (BB-COF) verwendet, für das zweite das Triquinoxalinylenbenzochinon (TB-COF). Beide Gerüste waren ringförmig und wiesen jeweils die gleiche Anzahl von Energiegruppen auf. Die Energiegruppen beherbergen die aktiven Stellen, d. h. Kohlenstoffatome, die an Sauerstoff oder Stickstoff gebunden sind. BB-COF war auch größer, wobei die Energiegruppen weiter voneinander entfernt angeordnet waren. TB-COF war insgesamt ein dichteres Molekül, aber die Energiegruppen von BB-COF waren spärlicher mit aktiven Stellen gepackt.

Und das scheint der Schlüssel zu einer besseren elektrochemischen Leistung zu sein, so Li.

"Obwohl TB-COF aufgrund seiner dicht gepackten funktionellen Gruppen eine lobenswerte anfängliche spezifische Kapazität aufweist, ist es aufgrund seiner Anfälligkeit für Kapazitätsverschlechterungen durch starke Wechselwirkungen im Nachteil, wenn es um die Rolle eines AZIBs-Kathodenmaterials konkurriert", so Li. "BB-COF hingegen zeigte sich selbst bei -40 Grad Celsius über 2.000 Zyklen hinweg stabil, was bedeutet, dass es auch bei 2.000 Lade- und Entladevorgängen einer Batterie stabil bleiben kann."

Die Forscher analysierten die chemische Zusammensetzung und die Morphologie der COFs und stellten fest, dass der größere Durchmesser von BB-COF einen schnellen Ionentransport und eine effektivere Nutzung der aktiven Stellen ermöglichte. Bei Raumtemperatur behielt BB-COF nach 10.000 Zyklen eine spezifische Kapazität - die Messung der Ladung pro Gewicht - von 72 Milliamperestunden pro Gramm Masse. Die spezifische Kapazität von TB-COF sank auf 40 Milliamperestunden pro Gramm Masse.

"Man geht davon aus, dass die Regulierung und Kontrolle der Porendimensionen zur Erzielung einer optimalen Dichte aktiver Stellen nicht nur die Zinkionentransportrate in COF-Pfaden verbessert, sondern auch zur Aufrechterhaltung der Stabilität der COF-Strukturen beiträgt", so Li. "Daher ist dieser Ansatz eine Richtung für künftige Bemühungen".

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Originalveröffentlichung

Meilin Li, Fanbin Zeng, Senlin Li, Sanlue Hu, Qingming Liu, Tengfei Zhang, Jun Zhou, Cuiping Han; "Unlocking high-performance organic cathodes: tailoring active group densities in covalent frameworks for aqueous zinc ion batteries"; Energy Materials and Devices

https://www.chemie.de/news/1182102/die-dichte-ist-entscheidend-fuer-eine-bessere-leistung-des-batteriematerials.html