Het opnemen van organische materialen in lithium-ionbatterijen kan hun kosten verlagen en ze milieuvriendelijker maken, A * STAR-onderzoekers hebben gevonden. Het team heeft een batterijkathode op organische basis ontwikkeld die de elektrochemische prestaties aanzienlijk heeft verbeterd in vergelijking met eerdere organische kathodematerialen. Cruciaal, het nieuwe materiaal is ook robuust, stabiel blijven gedurende duizenden oplaad-/ontlaadcycli van de batterij.

de kathode, de positieve elektrode in Li-ion batterijen, is een cruciaal onderdeel. Een elektron-deficiënte, rigide organische molecule genaamd hexaazatriaftaleen (HATN) werd eerder onderzocht als een organisch kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen. Echter, zijn veelbelovende eerste prestaties namen snel af tijdens gebruik, omdat het molecuul begon op te lossen in de vloeibare elektrolyt van de batterij.

Een nieuw kathodemateriaal, waarin HATN werd gecombineerd met grafeenoxide om te voorkomen dat het organische materiaal oplost, is nu ontwikkeld door Yugen Zhang en zijn collega's van het A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology.

In grafeenoxide, een laag koolstofatomen met een dikte van één atoom is gedeeltelijk bedekt met een laag zuurstofatomen. "Grafeenoxide heeft een uitstekende elektronische geleidbaarheid, en oppervlaktezuurstoffunctionaliteit die waterstofbindingsinteracties met HATN kan vormen, " Zegt Zhang. Hij legt uit dat dit grafeenoxide een veelbelovende kandidaat maakte voor het vormen van een HATN-grafeenoxide-nanocomposiet.

De prestaties van het nanocomposiet overtroffen de verwachtingen. De materialen gecombineerd om kern-schaal nanostaafjes te vormen waarin de HATN was gecoat met grafeenoxide. "Grafeenoxide en HATN vormden een zeer mooie composietstructuur, die het oplossingsprobleem van HATN in elektrolyt oploste en de kathode een zeer goede cyclusstabiliteit gaf, " Zegt Zhang. Een lithium-ionbatterij die dit materiaal als kathode gebruikt, behield 80 procent van zijn capaciteit na 2000 laad-/ontlaadcycli.

Het team presteerde nog beter toen ze grafeenoxide combineerden met een HATN-derivaat genaamd hexaazatrinaftaleentricarbonzuur (HATNTA). Een batterij gemaakt van dit materiaal behield 86 procent van zijn capaciteit na 2, 000 laad-/ontlaadcycli. De verbeterde prestatie is waarschijnlijk te danken aan de polaire carbonzuurgroepen op het HATNTA-molecuul, waardoor het molecuul nog sterker aan het grafeenoxide hechtte.

Het team blijft nieuwe materialen ontwikkelen om de prestaties van organische kathoden te verbeteren, zegt Zhang. Naast het onderzoeken van alternatieven voor grafeenoxide, het team werkt ook aan op HATN gebaseerde poreuze polymeren voor gebruik als organische kathodematerialen, die de stroom van ionen tijdens het opladen en ontladen van de batterij zou moeten verbeteren.