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Durchbruch bei organischen Batterien macht Lithium-Ionen-Batterien umweltfreundlicher

Thomas Baumgartner, York University

Forscher der York University haben einen Weg gefunden, Lithium-Batterien umweltfreundlicher zu machen und gleichzeitig Leistung, Stabilität und Speicherkapazität zu erhalten. Ihr jüngster Durchbruch ist die Schaffung eines neuen organischen Moleküls auf Kohlenstoffbasis, das das Kobalt ersetzen kann, das jetzt in Kathoden oder positiven Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Das neue Material behebt die Mängel des anorganischen Materials bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Leistung. Bildnachweis: Paola Scattolon

Forscher der York University haben einen Weg gefunden, Lithium-Batterien umweltfreundlicher zu machen und gleichzeitig Leistung, Stabilität und Speicherkapazität zu erhalten.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden giftige Schwermetalle, die die Umwelt beeinträchtigen können, wenn sie aus dem Boden entnommen werden und schwer sicher zu entsorgen sind. Kobalt ist eines dieser Schwermetalle, die in Batterieelektroden verwendet werden. Ein Teil des Problems ist, dass Lithium und Kobalt nicht reichlich verfügbar sind und die Vorräte schwinden.

Die Verwendung organischer Materialien ist der Weg in die Zukunft, und Wissenschaftler wie Professor Thomas Baumgartner von der Fakultät für Naturwissenschaften und sein Team sind damit beschäftigt, neue Moleküle zu entwickeln und zu testen, um die richtigen zu finden, um die derzeit verwendeten seltenen Metalle zu ersetzen.

„Organische Elektrodenmaterialien gelten als äußerst vielversprechende Materialien für nachhaltige Batterien mit hoher Leistungsfähigkeit“, sagt er.

Ihr jüngster Durchbruch ist die Schaffung eines neuen organischen Moleküls auf Kohlenstoffbasis, das das Kobalt ersetzen kann, das jetzt in Kathoden oder positiven Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Das neue Material behebt die Mängel des anorganischen Materials bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Leistung.

„Elektroden aus organischen Materialien können die Herstellung, das Recycling oder die Entsorgung dieser Elemente in großem Maßstab umweltfreundlicher machen“, sagt Baumgartner. “Ziel ist es, nachhaltige Batterien zu schaffen, die stabil sind und eine ebenso gute, wenn nicht sogar bessere Kapazität haben.”

Die Forschung wird veröffentlicht und auf dem Cover der März-Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Batterien & Supercaps, eine ChemPubSoc-Veröffentlichung.

“Mit dieser speziellen Klasse von Molekülen, die wir hergestellt haben, ist die elektroaktive Komponente sehr gut für Batterien geeignet, da sie sehr gut elektrische Ladungen speichert und eine gute Langzeitstabilität aufweist”, sagt er.

Baumgartner und seine Gruppe berichteten zuvor in einem in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlichten Artikel über die elektroaktive Komponente.

„Wir haben diese elektroaktive Komponente optimiert und in eine Batterie eingelegt. Es hat eine sehr gute Spannung, bis zu 3,5 Volt, wo sich derzeit die aktuellen Batterien befinden “, sagt er. “Dies ist ein wichtiger Schritt vorwärts bei der Herstellung vollständig organischer und nachhaltiger Batterien.”

Baumgartner hat zusammen mit den Postdoktoranden Colin Brides und Monika Stolar gezeigt, dass dieses Material im Langzeitbetrieb stabil ist und 500 Zyklen lang geladen und entladen werden kann. Ein Nachteil anorganischer Elektroden besteht darin, dass sie beim Laden erhebliche Wärme erzeugen und aus Sicherheitsgründen begrenzte Entladeraten erfordern. Dieses neue Molekül behebt dieses Manko.

Der nächste Schritt, sagt Baumgartner, ist die weitere Verbesserung der Kapazität. Sein Team entwickelt derzeit die nächste Generation von Molekülen, die vielversprechend sind, um die derzeitige Kapazität zu erhöhen.

Referenz: „Pyren-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundwerkstoffe auf Phosphaviologenbasis für stabile Batterieelektroden“ von Dr. Colin R. Bridges, Dr. Monika Stolar und Prof. Dr. Thomas Baumgartner, 19. Dezember 2019, Batterien & Supercaps.
DOI: 10.1002 / Batt.201900164