Et 4 V-klasse metalfrit organisk lithium-ion-batteri kommer tættere på virkeligheden

Et fælles forskerhold fra Tohoku University og University of California, Los Angeles (UCLA) har gjort et betydeligt fremskridt hen imod højspændingsmetalfri lithium-ion-batterier, der bruger et lille organisk molekyle - krokonsyre. Gennembruddet flytter os tættere på at realisere metalfrie, højenergi- og billige lithium-ion-batterier.

I modsætning til konventionelle lithium-ion-batterier, som er afhængige af sjældne jordarters materialer såsom kobolt og lithium, udnytter organiske batterier naturligt rigelige elementer såsom kulstof, brint, nitrogen og oxygen. Derudover har organiske batterier større teoretisk kapacitet end konventionelle lithium-ion-batterier, fordi deres brug af organiske materialer gør dem lette. De fleste rapporterede organiske batterier til dato har dog en relativt lav (1-3V) arbejdsspænding. Forøgelse af organiske batteriers spænding vil føre til batterier med højere energitæthed.

Itaru Honma, en professor i kemi ved Tohoku University's Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Hiroaki Kobayashi, en assisterende professor i kemi ved Tohoku University, og Yuto Katsuyama, en kandidatstuderende ved UCLA, fandt, at krokonsyre, når det blev brugt som lithium -ion ​​batteri katode materiale, opretholder en stærk arbejdsspænding på omkring 4 V.

Krokonsyre har fem kulstofatomer bundet til hinanden i en femkantet form, og hver af kulstoferne er bundet til oxygen. Den har også en høj teoretisk kapacitet på 638,6 mAh/g, hvilket er meget højere end de konventionelle lithium-ion batteri katodematerialer (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "Vi undersøgte den elektrokemiske opførsel af krokonsyre i højspændingsområdet over 3 V ved hjælp af teoretiske beregninger og elektrokemiske eksperimenter," sagde Kobayashi. "Vi opdagede, at krokonsyre lagrer lithium-ioner ved ca. 4 V, hvilket giver en meget høj teoretisk energitæthed på 1949 Wh/kg, hvilket er større end de fleste uorganiske og organiske lithium-ion-batterier."

Selvom den teoretiske kapacitet ikke blev opnået i denne undersøgelse, er forskerne optimistiske, at dette kan forbedres ved udvikling af stabile elektrolytter ved højspænding og kemiske modifikationer af krokonsyre. Da de fleste elektrolytter ikke kan stå for en så stærk arbejdsspænding af krokonsyre, er udvikling af nye elektrolytter afgørende. Derudover kan strukturerne af små organiske molekyler, herunder krokonsyre, let modificeres. Passende strukturelle modifikationer kan stabilisere molekylet, hvilket fører til større kapacitet og reversibilitet.

Forskningen er publiceret i Advanced Science . + Udforsk yderligere

Et skridt nærmere bionedbrydelige husholdningsbatterier