Batteriforskning:nye gennembrud inden for forskning i superbatterier

Siden 2012 har Stefan Freunberger fra Institut for Kemi og Materialeteknologi ved TU Graz har arbejdet på udvikling af en ny generation af batterier med forbedret ydeevne og længere levetid, og som også er billigere at producere end nuværende modeller. Han mener, at lithium-ilt-batterier har et betydeligt potentiale. I 2017 i løbet af sit arbejde, Freunberger afslørede paralleller mellem celleældning i levende organismer og i batterier. I begge tilfælde meget reaktiv singlet oxygen er ansvarlig for ældningsprocessen. Denne form for ilt, som har været i fokus for Freunbergers forskning i de sidste par år, produceres, når lithium-ilt-batterier oplades eller aflades. Den Graz-baserede forsker har nu fundet måder at minimere de negative virkninger af singlet oxygen, og hans resultater er blevet publiceret i anerkendte tidsskrifter Naturkommunikation og Angewandte Chemie .

Stabile redox mediatorer nøglen til energieffektivitet

I hans papir i Naturkommunikation , Freunberger beskriver effekten af ​​singlet oxygen på det, der kaldes redox mediatorer, som kan reversibelt reduceres eller oxideres. Arbejdet er udført i samarbejde med forskere fra Sydkorea og USA. Redox mediatorer spiller en afgørende rolle i strømmen af ​​elektroner mellem det ydre kredsløb og ladningslagermaterialet i iltbatterier, og har også en betydelig indflydelse på deres præstationer. Princippet bag mediatorer er lånt fra naturen, hvor de er ansvarlige for en lang række forskellige funktioner i levende celler, herunder at overføre nerveimpulser og producere energi. "Indtil nu har man antaget, at redoxmediatorer deaktiveres af superoxider og peroxider. Men vores forsøg har vist, at det skyldes virkningen af ​​singlet oxygen, " sagde Freunberger. Forskerne brugte densitetsfunktionsteori-beregninger til at demonstrere, hvorfor visse klasser af mediatorer er mere modstandsdygtige over for singlet-ilt end andre. De identificerede også dens mest sandsynlige angrebsveje. Disse indsigter driver udviklingen af ​​nye, mere stabile redox mediatorer. "Jo mere stabile mæglerne er, jo mere effektivt, vendbare og langtidsholdbare bliver batterierne, " forklarede Freunberger.

DABConium giver effektiv beskyttelse mod singlet oxygen

Udover at deaktivere redox mediatorer, singlet oxygen udløser også parasitære reaktioner, som kompromitterer batterilevetid og genopladelighed. Så, Freunberger forsøgte at identificere en passende quencher, der omdanner den producerede singlet-ilt til harmløs triplet-ilt, som opstår i luften - biologi pegede ham i den rigtige retning. "Et enzym kaldet superoxiddismutase blokerer dannelsen af ​​singlet oxygen i levende celler. I stedet for, Jeg brugte DABConium – som er et salt af den organiske nitrogenforbindelse DABCO – i mine eksperimenter." DABConium er et elektrolytadditiv, som er meget mere modstandsdygtigt over for oxidation end tidligere identificerede quenchere, og er kompatibel med en lithium-metal anode. På denne måde for første gang skabte Freunberger betingelser for opladning af lithium-iltceller, der stort set var fri for bivirkninger – med andre ord, uden parasitære reaktioner. Imidlertid, som Freunberger viste sidste år, singlet oxygen forårsager også problemer i den nyeste generation af lithium-ion-batterier, samt i iltbatterier. Det betyder, at quenchere også er væsentlige for førstnævnte. Freunberger offentliggjorde detaljer om denne singlet-iltslukker i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Ideel sag:Kombineret mediator og quencher

Det næste trin i Freunbergers forskning vil involvere at samle hans resultater og udvikle en ny klasse af mediatorer. Disse bør være særligt modstandsdygtige over for angreb fra singlet oxygen og også bekæmpe det effektivt ved at udføre en quenching-funktion. Dette vil dramatisk forlænge levetiden for lithium-ilt-batterier og maksimere energieffektiviteten.