Forschungsteam entwickelt organische Kathode für leistungsfähige Batterien

Traditionelle, wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien versorgen Laptops oder Mobiltelefone bis hin zu Elektroautos mit Strom. Aber rohes Lithium ist teuer und wird oft über problematische geopolitische Netzwerke beschafft. Deshalb suchen Wissenschaftler seit langem nach Möglichkeiten, die Abhängigkeit der Industrie von Lithium-Ionen-Batterien zu verringern. Nun kündigte die Dincă Group um Professor Mircea Dincă vom Department of Chemistry der Princeton University eine Alternative an, die auf einem organischen, hochenergetischen Kathodenmaterial namens Bis-Tetraaminobenzochinon (TAQ), das die Herstellung von leistungsfähigen Natrium-Ionen-Batterien mit gleichzeitig hoher Energie- und Leistungsdichte ermöglichen soll und herkömmliche Lithium-Ionen-Kathoden sogar hinter sich lasse.

Das Kathodenmaterial der Dincă-Gruppe ist ein geschichteter organischer Feststoff namens Bis-Tetraaminobenzochinon (TAQ). (Source: Dincă-Gruppe)

Die Universität berichtet, dass die Ergebnisse die Erwartungen der Forscher übertroffen hätten. Die Leistung ihrer Kathode liegt demnach nahe an der theoretischen Maximalkapazität, die als Benchmark bekannt ist, wie es weiter heisst. Ihre Forschung habe das Potenzial für gross angelegte Energiespeicheranwendungen wie Rechenzentren, Stromnetze und kommerzielle Systeme für erneuerbare Energien sowie für Elektrofahrzeuge.

"Jeder kennt die Herausforderungen, die mit begrenzten Ressourcen für etwas so Wichtiges wie Batterien einhergehen, und Lithium ist in vielerlei Hinsicht 'begrenzt", sagt Mircea Dincă, Professor für Chemie an der Uni Princeton. "Es ist immer besser, ein diversifiziertes Portfolio für diese Materialien zu haben. Natrium ist buchstäblich überall. Für uns ist es einer unserer grössten Forschungsträume, Batterien zu entwickeln, die aus wirklich reichlich vorhandenen Ressourcen wie organischem Material und Meerwasser hergestellt werden. An vorderster Front bei der Entwicklung einer wirklich nachhaltigen und kostengünstigen Natriumionen-Kathode oder -Batterie zu stehen, ist wirklich aufregend", sagt Dincă.

Mircea Dincă ist Chemieprofessor an der Universität Princeton (Source: Dincă Group)

Vollständig unlöslich und hoch leitfähig

Das Labor habe die Vorteile von TAQ bereits vor einem Jahr unterstrichen, als es in ACS Central Science erstmals über seinen Nutzen für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien berichtet habe, schreibt die Universität weiter. Die Forscher untersuchten demnach das Potenzial des Materials weiter, insbesondere als sie feststellten, dass TAQ vollständig unlöslich und hoch leitfähig ist – zwei entscheidende technische Vorteile für ein organisches Kathodenmaterial. Eine Kathode ist ein wesentlicher Bestandteil aller polarisierten Geräte.

Also versuchten sie, eine organische Natrium-Ionen-Batterie mit demselben Material, TAQ, zu konstruieren. Der Prozess dauerte etwa ein Jahr, da die Forscher mehrere Konstruktionsprinzipien anpassen mussten, die nicht von der Lithium-Ionen-Technologie übernommen werden konnten. 

Dr. Tianyang Chen von der Dincă Group ist der Erstautor des Papers. (Source: Tianyang Chen)

"Das von uns gewählte Bindemittel, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, erleichtert die Vermischung von TAQ-Kristalliten und Russpartikeln, was zu einer homogenen Elektrode führt", so Dr. Tianyang Chen, Doktorand der Dincă-Gruppe und Erstautor der Arbeit. "Die Kohlenstoffnanoröhren umhüllen die TAQ-Kristallite eng und verbinden sie miteinander. Beide Faktoren fördern den Elektronentransport innerhalb der Elektrodenmasse und ermöglichen so eine fast 100-prozentige Ausnutzung des aktiven Materials, was zu einer nahezu theoretischen Maximalkapazität führt. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren verbessert die Ratenleistung der Batterie beträchtlich, was bedeutet, dass die Batterie die gleiche Energiemenge in einer viel kürzeren Ladezeit speichern kann oder in der gleichen Ladezeit viel mehr Energie speichern kann."

Zu den Vorteilen von TAQ als Kathodenmaterial gehören laut Chen auch seine Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit, seine lange Lebensdauer, seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, und seine Umweltverträglichkeit.

Die Studie "High-Energy, High-Power Sodium-Ion Batteries from a Layered Organic Cathode" wurde von Tianyang Chen, Jiande Wang, Bowen Tan, Kimberly Zhang, Harish Banda, Yugang Zhang, Dong-Ha Kim, und Mircea Dincă verfasst.

Die von Automobili Lamborghini S.p.A. finanzierte Forschungsarbeit des Labors mit dem Titel "High-Energy, High-Power Sodium-Ion Batteries from a Layered Organic Cathode" (Hochenergie- und Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien mit einer geschichteten organischen Kathode) erschien im Februar im Journal of the American Chemical Society (JACS).

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