Iedereen die al meer dan een jaar een smartphone heeft, weet waarschijnlijk dat de ingebouwde lithium (Li)-ionbatterij niet zoveel lading vasthoudt als toen het apparaat nieuw was. De degradatie van Li-ion-batterijen is een ernstig probleem dat de levensduur van draagbare elektronische apparaten aanzienlijk beperkt, indirect enorme hoeveelheden vervuiling en economische verliezen veroorzaken. Naast dit, het feit dat Li-ionbatterijen niet erg duurzaam zijn, vormt een enorme belemmering voor de markt van elektrische voertuigen en het oogsten van hernieuwbare energie. Gezien de ernst van deze problemen, het is geen verrassing dat onderzoekers actief op zoek zijn geweest naar manieren om de ultramoderne ontwerpen van Li-ion-batterijen te verbeteren.

Een van de belangrijkste oorzaken van de capaciteitsdaling in Li-ion-batterijen is de degradatie van de veelgebruikte grafietanodes - de negatieve polen in batterijen. de anode, samen met de kathode (of de positieve pool) en de elektrolyt (of het medium dat de lading tussen twee terminals draagt), zorgen voor een omgeving waar de elektrochemische reacties voor het laden en ontladen van de batterij kunnen plaatsvinden. Echter, grafiet heeft een bindmiddel nodig om te voorkomen dat het bij gebruik uit elkaar valt. Het meest gebruikte bindmiddel van vandaag, poly(vinylideenfluoride) (PVDF), heeft een reeks nadelen die het verre van een ideaal materiaal maken.

Om deze problemen aan te pakken, een team van onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) onderzoekt een nieuw type bindmiddel gemaakt van een bis-imino-acenaphtheenchinon-parafenyleen (BP) copolymeer. Hun laatste onderzoek, gepubliceerd in ACS toegepaste energiematerialen , werd geleid door professor Noriyoshi Matsumi en had ook betrekking op professor Tatsuo Kaneko, Hoofddocent Rajashekar Badam, doctoraat student Agman Gupta, en voormalig postdoctoraal fellow Aniruddha Nag.

Dus, in welk opzicht presteert het BP-copolymeer beter dan het conventionele PVDF-bindmiddel voor grafietanodes? Eerst, het BP-bindmiddel biedt aanzienlijk betere mechanische stabiliteit en hechting aan de anode. Dit komt gedeeltelijk door de zogenaamde π–π-interacties tussen de bis-imino-acenafteenchinongroepen en grafiet, en ook van de goede hechting van de liganden van het copolymeer aan de koperen stroomcollector van de batterij. Ten tweede, niet alleen is het BP-copolymeer veel beter geleidend dan PVDF, het vormt ook een dunner geleidend vast elektrolyt-interface met minder weerstand. Ten derde, het BP-copolymeer reageert niet gemakkelijk met de elektrolyt, die ook in hoge mate de degradatie ervan voorkomt.

Al deze voordelen gecombineerd leidden tot serieuze prestatieverbeteringen, zoals de onderzoekers aantoonden door middel van experimentele metingen. "Terwijl een halve cel die PVDF als bindmiddel gebruikt, slechts 65% van zijn oorspronkelijke capaciteit vertoonde na ongeveer 500 laad-ontlaadcycli, de halfcel die het BP-copolymeer als bindmiddel gebruikte, vertoonde een capaciteitsbehoud van 95% na meer dan 1700 van dergelijke cycli, " benadrukt prof. Matsumi. De op BP-copolymeer gebaseerde halfcellen vertoonden ook een zeer hoge en stabiele coulombefficiëntie, een maatstaf die de hoeveelheid lading vergelijkt die in en uit de cel stroomt in een bepaalde cyclus; dit is ook een indicatie van de duurzaamheid van de batterij op lange termijn. Beelden van de bindmiddelen die voor en na het fietsen met een scanning-elektronenmicroscoop zijn genomen, lieten zien dat er zich slechts minuscule scheurtjes vormden op het BP-copolymeer, terwijl er al grote scheuren waren ontstaan ​​op PVDF in minder dan een derde van het totale aantal cycli.

De theoretische en experimentele bevindingen van deze studie zullen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van duurzame Li-ion-batterijen. Beurtelings, dit kan verstrekkende economische en ecologische gevolgen hebben, zoals Prof. Matsumi uitlegt:"De realisatie van duurzame batterijen zal helpen bij de ontwikkeling van betrouwbaardere producten voor langdurig gebruik. Dit zal consumenten aanmoedigen om duurdere op batterijen gebaseerde activa aan te schaffen, zoals elektrische voertuigen, die vele jaren zal worden gebruikt." Hij merkt ook op dat duurzame batterijen goed nieuws zouden zijn voor degenen die afhankelijk zijn van kunstmatige organen, zoals patiënten met bepaalde hartaandoeningen. Natuurlijk, de algemene bevolking zou er ook van profiteren, gezien hoeveel smartphones, tabletten, en laptops worden elke dag gebruikt en opgeladen.