Ultraschneller Akku mit organischer Kathode entwickelt
Forscher am Moskauer Skolkovo Institute of Science and Technology und der D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology haben mittels einer Kathode aus Polyphenylamin, einem leitenden Kunststoff, die Kapazität und Ladegeschwindikeit von Metall-Ionen-Batterien deutlich erhöht. Da die Moleküle des Polyphenylamin Kohlenstoff enthalten, zählt es zu den organischen Werkstoffen. Die Anode kann aus einer Lithium-, Natrium- oder Kaliumverbindung bestehen. Die Forschungsergebnisse wurden im Journal of Material Chemistry A veröffentlicht.
Aus der Medienmitteilung des Skolkovo-Instituts: „In den letzten Jahrzehnten ist der Weltenergieverbrauch durch Bevölkerungswachstum, Industrialisierung und die Entwicklung von Haushaltsgeräten und Elektronik deutlich gestiegen, wobei insbesondere die Zahl der mobilen Geräte und Elektrofahrzeuge zugenommen hat. Daher ist es dringend erforderlich, Technologien und Geräte zur Speicherung elektrochemischer Energie zu entwickeln. Trotz der Tatsache, dass Lithium-Ionen-Batterien auf Basis anorganischer Schichtoxide den Markt dominieren, ist es schwierig, ihre Leistung weiter zu verbessern. Dieses Problem kann durch den Einsatz von organischen Verbindungen als Kathodenmaterial gelöst werden. Zu den Vorteilen, auf die man besonderen Wert legen sollte, gehören die hohe Energiedichte, die Lade-/Entladefähigkeit und die Beständigkeit gegen mechanische Verformungen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist ihre hohe Umweltverträglichkeit, da organische Materialien nur aus natürlich vorkommenden Elementen (C, H, N, O, S) bestehen und aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können. In Abwesenheit von Schwermetallen kann ihre Entsorgung durch Verbrennung oder mit anderen Verfahren zur Verwertung von Hausmüll erfolgen. Durch den Einsatz von organischen Kathoden entfallen zudem teure Lithiumverbindungen.
Unter den zahlreichen Projekten des Forschungsteams von Professor Pavel Troshin wird besonderes Augenmerk auf Kathodenmaterialien auf Basis von Verbindungen vom Typ Polyphenylamin gelegt, eine der meistversprechenden Klassen von organischen Kathodenmaterialien für Metallionenbatterien.
Leit-Autor Filipp Obrezkov: ‚Kathodenmaterialien auf Basis von Polytriphenylamin und ihre in der Literatur beschriebenen Analoga besitzen hervorragende Eigenschaften in Metallionenbatterien. Insbesondere weisen sie ein hohes Entladepotenzial, zyklische Stabilität und einen Betrieb mit hohen Lade-/Entladestromraten auf. Ihre geringen spezifischen Kapazitäten begrenzen jedoch die Kommerzialisierung dieser Materialgruppe. Daher haben wir die Aufgabe geschaffen, eine Gruppe von neuen Makromolekülen zu entwerfen und zu untersuchen, die möglicherweise eine höhere Energiedichte aufweisen. Einige der Verbindungen, insbesondere eine, zeigten eine ausgezeichnete Leistung beim Laden und Entladen bei den aktuellen Dichten von bis zu 200°C (das vollständige Laden und Entladen dauert nur 18 Sekunden, Anmerkung des Herausgebers). Es ist wichtig, dass es uns neben Lithium auch gelungen ist, Natrium- und Kaliumionenbatterien aus dem gleichen Material herzustellen.‘
Die erzielten Ergebnisse bestätigen das signifikante Potenzial für die Verwendung organischer Verbindungen als Kathoden für ultraschnelle Metallionenbatterien. Die Weiterentwicklung dieses Projekts könnte zur Entwicklung einer neuen Generation von Batteriematerialien mit noch höherer spezifischer Kapazität bei hoher Laderate führen, die in der Lage sind, die zukünftigen Anforderungen des Marktes für tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge zu erfüllen.
Brandgefahr gebannt
Derart aufgebaute Akkus haben eine hohe Energiedichte, lassen sich sehr schnell aufladen – der Rekord liegt laut pressetext bei 18 Sekunden – und sie sind laut den Experten unempfindlich gegenüber mechanischen Verformungen, bei denen manch eine andere Batterie Feuer fängt oder gar explodiert. Zudem übersteht sie sehr viele Lade- und Entladezyklen, ohne entscheidend an Kapazität einzubüßen. Nach 5000 Lade-/Entladezyklen hatten die Batterien noch 67 % Kapazität – eine vielversprechende Stabilität.
Projektleiter Pavel Troshin verweist außerdem auf die Umweltverträglichkeit der Elektrode aus Kunststoff, denn sie enthalte lediglich chemische Elemente, die auf der Erde im Überfluss vorkommen. Die Entsorgung sei problemlos, weil sie keine Schwermetalle enthalte. Sie könnte sogar im Hausmüll landen, ohne Schaden anzurichten. Tatsächlich sollten zumindest die Batterien, die das seltene Metall Lithium enthalten, recycelt werden, um die Wertstoffe zurückzugewinnen. Die übrigen könnten einfach verbrannt werden.
Für Handys und Notebooks
Die innovative Batterie ist den Wissenschaftlern zufolge sowohl für die Stromversorgung von mobilen Geräten wie Smartphones und Notebooks als auch für Elektroautos geeignet, bestätigt auch Obrezkov. Die heute in großem Stil eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien haben meist eine Kathode aus porösem Graphit. Diese Konstellation sei tatsächlich ausgereizt.
Das Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) ist eine private Forschungsuniversität mit Hochschulabschluss. Skoltech wurde 2011 in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) gegründet und kultiviert eine neue Generation von Forschern und Unternehmern, fördert fortgeschrittenes wissenschaftliches Wissen und fördert innovative Technologien, um kritische Probleme Russlands und der Welt im dritten Jahrtausend zu lösen. Skoltech wendet die besten russischen und internationalen Forschungs- und Bildungspraktiken an, wobei der Schwerpunkt auf Unternehmertum und Innovation liegt.
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