Billig, bæredygtigt batteri fremstillet af træbark tanniner

(Phys.org) —Tanniner er måske bedst kendt for deres tilstedeværelse i rødvin og te, men i en ny undersøgelse har forskere for første gang demonstreret, at tanniner fra træbark også kan fungere som batterikatodematerialer. Da træbark er cirka 15 vægtprocent tanniner, tanniner er naturligt rigelige, hvilket er en faktor, der gør dem til et lovende materiale til design af bæredygtige, lavpris, metalfri, højtydende batterier.

Udover deres udbredte tilgængelighed, en anden grund til, at tanniner ser ud til at være et så lovende batterimateriale, er deres høje indhold af phenol - de har det højeste phenolindhold blandt enhver polymer, der produceres af levende organismer. Høje niveauer af phenol er vigtige, fordi den tanninbaserede batteris primære opladningsmekanisme er en reversibel kemisk reaktion, hvor phenol omdannes til quinon.

Forskerne, ledet af Hongli Zhu ved Northeastern University i Boston, sammen med ph.d. -studerende Alolika Mukhopadhyay som hovedforfatter og medforfattere fra National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, har udgivet et papir om tanninbatterikatoden i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Den største fordel ved at bruge en fornybar polymer tannin er, at Nature producerer en enorm mængde tannin, som kan ekstraheres fra underudnyttet bark med minimale omkostninger og kræfter, "Fortalte Zhu Phys.org . "De redox-aktive phenoliske hydroxylgrupper af tanniner er mere end 5000 gange højere end lignin, som tidligere blev anset for at være den mest lovende biopolymer til elektrokemisk energilagring. På grund af tannins betydelige lave molekylvægt og ekstremt høje phenoliske hydroxylindhold, det gennemtrængende netværk af tanniner og polypyrrol viser en enestående elektrokemisk ydeevne. Vi tror, ​​at tannin er den nye forkæmper for naturligt forekommende redox-aktive biopolymerer. "

I forsøg, forskerne demonstrerede, at en type tannin kaldet "ellagitannin" ekstraheret fra barken af ​​et kastanjetræ kan bruges til at fremstille batterikatoder til batterier, der udviser en fremragende generel ydeevne, herunder stor kapacitans og høj energitæthed. Designet består af ellagitannin kombineret med polymeren polypyrrol for høj ledningsevne, som placeres oven på et karboniseret træsubstrat.

Træsubstratet bidrager også til den gode batteriydelse på grund af de meget justerede kanaler i dets mobilstruktur. Disse kanaler, som planten engang brugte til at transportere vand og næringsstoffer, bruges nu til at transportere elektroner og ioner i det nye batteri.

Selvom fremstilling af batterier fra tanniner repræsenterer et stort skift fra at bruge konventionelle metalmaterialer som lithium, den naturligt forekommende forbindelse kan tilbyde løsninger på to af de største udfordringer for fremtidige energilagringssystemer:mangel på metalmaterialer og de høje omkostninger ved materialesyntese. Som forskerne demonstrerer i den nye undersøgelse, naturligt forekommende tanniner kan renses til lave omkostninger til brug i batterier.

Tidligere forskning har vist, at andre plantebaserede materialer også fremstår lovende som alternative batterimaterialer. En biopolymer, der er blevet grundigt undersøgt, er lignin, som findes i plantens cellevægge og giver træ og bark deres stive struktur. Selvom det er rigeligt, lignin har en høj molekylvægt sammenlignet med dets relativt lave phenolindhold. Da phenolindholdet stort set bestemmer den elektrokemiske ydeevne, såsom energitæthed og lagerkapacitet, det lave phenolindhold i lignin begrænser den potentielle ydelse af ligninbaserede batterier.

En af de største fordele ved tanniner er, at de har en lavere molekylvægt end lignin, mens deres phenolindhold er 5, 000 gange højere. Disse forskelle giver mulighed for at fremstille batterier med meget højere energitæthed og kapacitet.

Da forskerne lige er begyndt at undersøge potentialet for tanniner i batterier, de forventer, at det vil være muligt at forbedre disse batteriers ydeevne yderligere i fremtiden.

"Opladningskapaciteten af ​​tannin er høj, "Sagde Zhu." Dog, den iboende høje vandige opløselighed af tannin førte til tab af effektivt materiale, forårsager kapacitet falme over tid. Derfor, Vi forsøger at kemisk modificere tannin for at sikre en stabil og sikker ydeevne i hårde omgivelser. "

© 2017 Phys.org