Nieuwe organische elektrodematerialen voor Li-ion batterijen

Wetenschappers van KU Leuven en Differ hebben nieuwe organische elektrodematerialen voor Li-ion batterijen ontdekt die mogelijkheden bieden om de redox-eigenschappen van organische elektroden aan te passen. “Ze overbruggen zo de kloof met anorganische tegenhangers in duurzame en milieuvriendelijke elektrochemische energieopslagapparaten.“

Het onderzoek is te lezen in Energy & Environmental Science.

De beschikbaarheid van stabiele, positieve organische elektroden die kunnen werken bij hoge spanningen en in omgevingscondities is beperkt. In dit onderzoek tonen onderzoekers een methode om het werkpotentieel van organische elektrodematerialen voor batterijen aan te passen.

De materialen zijn gebaseerd op gefunctionaliseerde fenyleendiaminen met trifluormethanesulfonyl- en cyanogroepen. Hieruit zijn zeven lithiumhoudende triflimiden- en cyanamidesamenstellingen ontstaan. De onderzoekers bestudeerden dus verschillende moleculen die lithiumatomen reversibel kunnen opslaan.

De materialen vertonen volgens de makers een uitstekende omgevingsstabiliteit en een hoog redoxpotentieel, waardoor het landschap van n-type organische positieve Li-ion elektrodematerialen wordt uitgebreid. ‘Met name de triflimiden vertonen een ongekend hoog redoxpotentiaal van 3,8 V vs. Li+/Li, het hoogste onder de tot nu toe gerapporteerde n-type organische positieve elektrodematerialen.’ 

Lego

Twee belangrijke eigenschappen voor nieuwe verbindingen zijn een hoog redoxpotentiaal en een hoge stabiliteit (zowel qua omgeving als elektrochemisch). Süleyman Er, groepsleider Autonomous Energy Materials Discovery bij Differ: “Deze nieuwe materialen moeten chemisch functioneel zijn, samengesteld uit overvloedige chemische elementen, gemakkelijk te synthetiseren en structureel aanpasbaar. Dit is nodig, zodat je de eigenschappen kunt veranderen door het veranderen van hun chemische samenstelling. Vergelijk het met Lego-stukjes; je kunt (rijkelijk aanwezige) elementen als C, H, O, N, F en S op verschillende manieren combineren. Zo kun je nieuwe verbindingen maken en de gewenste functionaliteit van deze verbindingen instellen, bijvoorbeeld voor efficiënte energieopslag. Voer vervolgens uitgebreide modellering en structurele en elektrochemische analyses uit om te bepalen hoe ze presteren als batterijmateriaal.”

Prestatiekloof

De bevindingen verkleinen ook de ‘prestatiekloof’ tussen organische en anorganische alternatieve en bieden zo nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzamere en efficiëntere energieopslagsystemen.