(Phys.org) - Tannines zijn misschien het best bekend om hun aanwezigheid in rode wijn en thee, maar in een nieuwe studie hebben onderzoekers voor het eerst aangetoond dat tannines uit boomschors ook kunnen dienen als batterijkathodemateriaal. Aangezien boomschors ongeveer 15% tannines per gewicht bevat, tannines zijn van nature overvloedig, dat is een factor die ze tot een veelbelovend materiaal maakt voor het ontwerpen van duurzame, goedkoop, metaalvrij, krachtige batterijen.

Naast hun wijdverbreide beschikbaarheid, een andere reden waarom tannines zo'n veelbelovend batterijmateriaal lijken te zijn, is hun hoge fenolgehalte - ze hebben het hoogste fenolgehalte van alle polymeren die door levende organismen worden geproduceerd. Hoge niveaus van fenol zijn belangrijk omdat het primaire ladingsopslagmechanisme van de op tannine gebaseerde batterij een omkeerbare chemische reactie is waarbij fenol wordt omgezet in chinon.

De onderzoekers, geleid door Hongli Zhu aan de Northeastern University in Boston, samen met promovendus Alolika Mukhopadhyay als hoofdauteur en co-auteurs van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, hebben een artikel gepubliceerd over de kathode van de tanninebatterij in een recent nummer van Nano-letters .

"Het grootste voordeel van het gebruik van een hernieuwbare polymeertannine is dat de natuur een enorme hoeveelheid tannine produceert, die kan worden gewonnen uit onderbenutte schors met minimale kosten en inspanningen, "Zhu vertelde Phys.org . "De redox-actieve fenolische hydroxylgroepen van tannines zijn meer dan 5000 keer hoger dan lignine, dat eerder werd beschouwd als het meest veelbelovende biopolymeer voor elektrochemische energieopslag. Vanwege het significant lage molecuulgewicht van tannine en het extreem hoge fenolische hydroxylgehalte, het interpenetrerende netwerk van tannines en polypyrrool vertoont een uitstekende elektrochemische prestatie. We denken dat tannine de nieuwe kampioen is van natuurlijk voorkomende redox-actieve biopolymeren."

Bij experimenten, de onderzoekers toonden aan dat een soort tannine genaamd "ellagitannin", gewonnen uit de schors van een kastanjeboom, kan worden gebruikt om batterijkathodes te fabriceren voor batterijen die uitstekende algemene prestaties vertonen, inclusief grote capaciteit en hoge energiedichtheid. Het ontwerp bestaat uit ellagitannine gecombineerd met het polymeer polypyrrool voor een hoge geleidbaarheid, die bovenop een verkoold houtsubstraat wordt geplaatst.

Het houten substraat draagt ​​ook bij aan de goede batterijprestaties dankzij de sterk uitgelijnde kanalen in de celstructuur. Deze kanalen, die de plant ooit gebruikte om water en voedingsstoffen te transporteren, worden nu gebruikt om elektronen en ionen in de nieuwe batterij te transporteren.

Hoewel het maken van batterijen van tannines een grote verschuiving betekent van het gebruik van conventionele metalen materialen zoals lithium, de natuurlijk voorkomende verbinding kan oplossingen bieden voor twee van de grootste uitdagingen waarmee toekomstige energieopslagsystemen worden geconfronteerd:het tekort aan metalen materialen en de hoge kosten van materiaalsynthese. Zoals de onderzoekers in de nieuwe studie aantonen, natuurlijk voorkomende tannines kunnen tegen lage kosten worden gezuiverd voor gebruik in batterijen.

Eerder onderzoek heeft uitgewezen dat andere plantaardige materialen ook veelbelovend lijken als alternatieve batterijmaterialen. Een biopolymeer dat uitgebreid is bestudeerd, is lignine, dat wordt aangetroffen in de celwanden van planten en geeft hout en schors hun stijve structuur. Hoewel wijdverbreid, lignine heeft een hoog molecuulgewicht in vergelijking met het relatief lage fenolgehalte. Aangezien het fenolgehalte grotendeels de elektrochemische prestatie bepaalt, zoals de energiedichtheid en opslagcapaciteit, het lage fenolgehalte van lignine beperkt de potentiële prestaties van op lignine gebaseerde batterijen.

Een van de grootste voordelen van tannines is dat ze een lager molecuulgewicht hebben dan lignine, terwijl hun fenolgehalte 5 is, 000 keer hoger. Deze verschillen bieden het potentieel voor het vervaardigen van batterijen met veel hogere energiedichtheden en capaciteiten.

Aangezien de onderzoekers net zijn begonnen met het onderzoeken van het potentieel van tannines in batterijen, ze verwachten dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om de prestaties van deze batterijen verder te verbeteren.

"De ladingsopslagcapaciteit van tannine is hoog, "Zei Zhu. "Echter, de intrinsiek hoge oplosbaarheid in water van tannine leidde tot het verlies van effectief materiaal, waardoor de capaciteit na verloop van tijd vervaagt. Daarom, we proberen tannine chemisch te modificeren om stabiele en veilige prestaties te garanderen in een ruwe omgeving."

© 2017 Fys.org