Batterijen van de volgende generatie zullen waarschijnlijk lithiumionen vervangen door meer overvloedige en milieuvriendelijke alkalimetaal- of meerwaardige ionen. Een grote uitdaging, echter, is de ontwikkeling van stabiele elektroden die hoge energiedichtheden combineren met snelle laad- en ontlaadsnelheden. In het journaal Angewandte Chemie , Amerikaanse en Chinese wetenschappers melden een hoogwaardige kathode gemaakt van een organisch polymeer voor gebruik in goedkope, milieuvriendelijk, en duurzame natrium-ionbatterijen.

Lithium-ionbatterijen zijn de allernieuwste technologie voor draagbare apparaten, energieopslagsystemen, en elektrische voertuigen, waarvan de ontwikkeling dit jaar is bekroond met de Nobelprijs. Hoe dan ook, batterijen van de volgende generatie zullen naar verwachting hogere energiedichtheden bieden, betere capaciteiten, en het gebruik van goedkopere, veiliger, en milieuvriendelijkere materialen. Nieuwe batterijtypes die het meest worden onderzocht, gebruiken in wezen dezelfde technologie voor het opladen en ontladen van een schommelstoel als de lithiumbatterij, maar het lithiumion is vervangen door goedkope metaalionen zoals natrium, magnesium, en aluminiumionen. Helaas, deze vervanging brengt grote aanpassingen aan de elektrodematerialen met zich mee.

Organische verbindingen zijn gunstig als elektrodematerialen omdat, voor een, ze bevatten geen schadelijke en dure zware metalen, en ze kunnen worden aangepast aan verschillende doeleinden. Hun nadeel is dat ze oplossen in vloeibare elektrolyten, wat elektroden inherent onstabiel maakt.

Chunsheng Wang en zijn team van de Universiteit van Maryland, ONS., en een internationaal team van wetenschappers heeft een organisch polymeer geïntroduceerd als een high-capacity, snel opladen, en onoplosbaar materiaal voor batterijkathoden. Voor het natriumion, het polymeer presteerde beter dan de huidige polymere en anorganische kathoden in capaciteitsafgifte en retentie, en voor meerwaardige magnesium- en aluminiumionen, de gegevens bleven niet ver achter, volgens de studie.

Als geschikt kathodisch materiaal, de wetenschappers identificeerden de organische verbinding hexaazatriaftaleen (HATN), die al is getest in lithiumbatterijen en supercondensatoren, waar het functioneert als een kathode met hoge energiedichtheid die lithiumionen snel intercaleert. Echter, zoals de meeste organische materialen, HATN loste op in de elektrolyt en maakte de kathode onstabiel tijdens het fietsen. De truc was nu om de structuur van het materiaal te stabiliseren door verbindingen tussen de afzonderlijke moleculen aan te brengen, legden de wetenschappers uit. Ze verkregen een organisch polymeer genaamd polymeer HATN, of PHATN, die snelle reactiekinetiek en hoge capaciteiten voor natrium bood, aluminium, en magnesiumionen.

Na het monteren van de batterij, de wetenschappers testten de PHATN-kathode met behulp van een hooggeconcentreerde elektrolyt. Ze vonden uitstekende elektrochemische prestaties voor de niet-lithiumionen. De natriumbatterij zou kunnen werken op hoge spanningen tot 3,5 volt en een capaciteit van meer dan 100 milliampère-uur per gram behouden, zelfs na 50, 000 cycli, en de bijbehorende magnesium- en aluminiumbatterijen lagen dicht bij deze concurrerende waarden, meldden de auteurs.

De onderzoekers stellen zich deze op polymere pyrazine gebaseerde kathoden voor (pyrazine is de organische stof waarop HATN is gebaseerd; het is een aromatische benzolachtige, stikstofrijke organische stof met een fruitige smaak) te gebruiken in milieuvriendelijke, hoge energiedichtheid, snelle en ultrastabiele oplaadbare batterijen van de volgende generatie.