Polymer katode med høj energidensitet til hurtigopladning af natrium- og multivalent-ion-batterier

Næste generations batterier vil sandsynligvis erstatte lithium-ioner med mere rigelige og miljøvenlige alkalimetal- eller multivalente ioner. En stor udfordring, imidlertid, er udviklingen af ​​stabile elektroder, der kombinerer høje energitætheder med hurtige opladnings- og afladningshastigheder. I journalen Angewandte Chemie , Amerikanske og kinesiske forskere rapporterer om en højtydende katode lavet af en organisk polymer, der skal bruges til lave omkostninger, miljøvenlig, og holdbare natrium-ion-batterier.

Lithium-ion-batterier er den avancerede teknologi til bærbare enheder, energilagringssystemer, og elbiler, hvis udvikling er blevet belønnet med årets Nobelpris. Alligevel, næste generations batterier forventes at give højere energitætheder, bedre kapacitet, og brugen af ​​billigere, sikrere, og mere miljøvenlige materialer. Nye batterityper, der er mest udforskede, anvender i det væsentlige den samme gyngestols opladnings- og afladningsteknologi som lithiumbatteriet, men lithium-ionen er erstattet med billige metalioner såsom natrium, magnesium, og aluminiumioner. Desværre, denne substitution medfører store justeringer af elektrodematerialerne.

Organiske forbindelser er gunstige som elektrodematerialer, fordi For en, de indeholder ikke skadelige og dyre tungmetaller, og de kan tilpasses til forskellige formål. Deres ulempe er, at de opløses i flydende elektrolytter, hvilket gør elektroder i sagens natur ustabile.

Chunsheng Wang og hans team fra University of Maryland, OS., og et internationalt hold af videnskabsmænd har introduceret en organisk polymer som en høj kapacitet, hurtig opladning, og uopløseligt materiale til batterikatoder. For natriumion, polymeren klarede sig bedre end de nuværende polymere og uorganiske katoder med hensyn til levering og retention af kapacitet, og for multivalente magnesium- og aluminiumioner, dataene var ikke langt bagefter, ifølge undersøgelsen.

Som et egnet katodisk materiale, forskerne identificerede den organiske forbindelse hexaazatrinaphthalen (HATN), som allerede er testet i lithiumbatterier og superkondensatorer, hvor den fungerer som en katode med høj energitæthed, der hurtigt interkalerer lithiumioner. Imidlertid, som de fleste organiske materialer, HATN opløstes i elektrolytten og gjorde katoden ustabil under cykling. Tricket var nu at stabilisere materialets struktur ved at indføre bindinger mellem de enkelte molekyler, forklarede forskerne. De opnåede en organisk polymer kaldet polymer HATN, eller PHATN, som tilbød hurtig reaktionskinetik og høj kapacitet for natrium, aluminium, og magnesiumioner.

Efter montering af batteriet, forskerne testede PHATN-katoden ved hjælp af en højkoncentreret elektrolyt. De fandt fremragende elektrokemiske ydeevner for ikke-lithium-ioner. Natriumbatteriet kunne drives ved høje spændinger op til 3,5 volt og opretholdt en kapacitet på mere end 100 milliampere timer pr. gram selv efter 50, 000 cyklusser, og de tilsvarende magnesium- og aluminiumsbatterier var tæt på disse konkurrencemæssige værdier, rapporterede forfatterne.

Forskerne forestiller sig disse polymere pyrazin-baserede katoder (pyrazin er det organiske stof, som HATN er baseret på; det er en aromatisk benzol-lignende, nitrogenrigt organisk stof med en frugtagtig smag), der skal anvendes i miljøvenlige, høj energitæthed, hurtige og ultrastabile næste generation genopladelige batterier.