Een gezamenlijk onderzoeksteam van de Tohoku University en de University of California, Los Angeles (UCLA) heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van hoogspanningsmetaalvrije lithium-ionbatterijen die een klein organisch molecuul gebruiken:croconzuur. De doorbraak brengt ons dichter bij het realiseren van metaalvrije, energierijke en goedkope lithium-ionbatterijen.

In tegenstelling tot conventionele lithium-ionbatterijen, die afhankelijk zijn van zeldzame aardmaterialen zoals kobalt en lithium, maken organische batterijen gebruik van natuurlijke overvloedige elementen zoals koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof. Bovendien hebben organische batterijen een grotere theoretische capaciteit dan conventionele lithium-ionbatterijen, omdat ze door het gebruik van organische materialen licht van gewicht zijn. De meeste tot nu toe gerapporteerde organische batterijen hebben echter een relatief lage (1-3V) werkspanning. Het verhogen van de spanning van organische batterijen zal leiden tot batterijen met een hogere energiedichtheid.

Itaru Honma, een professor in de chemie aan het Tohoku University's Institute of Multidisciplinair Onderzoek voor geavanceerde materialen, Hiroaki Kobayashi, een assistent-professor in de chemie aan de Tohoku University, en Yuto Katsuyama, een afgestudeerde student aan de UCLA, ontdekten dat croconzuur, wanneer gebruikt als een lithium -ion ​​batterij kathode materiaal, handhaaft een sterke werkspanning van ongeveer 4 V.

Croconzuur heeft vijf koolstofatomen die in een vijfhoekige vorm aan elkaar zijn gebonden en elk van de koolstofatomen is gebonden aan zuurstof. Het heeft ook een hoge theoretische capaciteit van 638,6 mAh/g, wat veel hoger is dan de conventionele kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "We hebben het elektrochemische gedrag van croconzuur in het hoogspanningsbereik boven 3 V onderzocht met behulp van theoretische berekeningen en elektrochemische experimenten", zegt Kobayashi. "We ontdekten dat croconzuur lithiumionen opslaat bij ongeveer 4 V, wat resulteert in een zeer hoge theoretische energiedichtheid van 1949 Wh/kg, wat groter is dan de meeste anorganische en organische lithium-ionbatterijen."

Hoewel de theoretische capaciteit in deze studie niet werd bereikt, zijn de onderzoekers optimistisch dat dit kan worden verbeterd door de ontwikkeling van stabiele elektrolyten bij hoogspanning en chemische modificaties aan croconzuur. Aangezien de meeste elektrolyten niet bestand zijn tegen zo'n sterke werkspanning van croconzuur, is het ontwikkelen van nieuwe elektrolyten van vitaal belang. Bovendien kunnen de structuren van kleine organische moleculen, waaronder croconzuur, gemakkelijk worden gewijzigd. Passende structurele modificatie kan het molecuul stabiliseren, wat leidt tot een grotere capaciteit en omkeerbaarheid.

Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Science . + Verder verkennen

Een stap dichter bij biologisch afbreekbare huishoudbatterijen