Organische Polymerkathode für leistungsstarke und langlebige Natrium-Ionen-Batterien

05.11.2019 – Preiswerte und umweltfreundliche Metalle wie Natrium und mehrwertige Leichtmetalle sollen Lithium in der Batterietechnologie ersetzen. Eine Herausforderung ist aber die Entwicklung langlebiger und stabiler Elektroden mit hoher Energiedichte und gleichzeitig schneller Lade- und Entladerate. Ein Problem bei organischen Materialien ist etwa, dass sie sich im flüssigen Elektrolyten auflösen. Forscher der University of Maryland, USA, haben daher mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern organische Polymerkathoden untersucht und letztlich eine Verbindung entwickelt, die sich zum einen nicht auflöst – also stabil ist – und zum anderen auch über eine hohe Kapazität sowie schnelle Entlade- und Ladefähigkeit verfügt. Die Ergebnisse veröffentlichten Chunsheng Wang und sein Team der University of Maryland in der Zeitschrift für Angewandte Chemie.

Weiterentwickelte Pyrazin-Polymerkathoden eignen sich für wiederaufladbare Batterien mit Natrium-Ionen-Technik. Foto: Wiley-VCH

Als Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte und Einlagerungsbereitschaft für Metallionen identifizierten die Forscher die organische Verbindung Hexaazatrinaphthalin, kurz HATN. In Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren wurde das HATN bereits getestet – allerdings lösten sich dabei die organischen Materialien im Elektrolyten auf. Damit das bei Natrium-, Aluminium- und Magnesium-Ionen-Batterien nicht geschieht, stabilisierten die Wissenschaftler die organische Verbindung, indem sie einzelne Moleküle mit Bindungsbrücken verknüpften. Damit entstand das organische Polymer „polymeres HATN“, auch als PHATN bezeichnet. Getestet wurde die PHATN-Kathode dann in Metall-Ionen-Batterien mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten. Die Batteriedaten waren laut den Forschern hervorragend. So konnte die Natrium-Ionen-Batterie bei einer Spannung von 3,5 Volt betrieben werden und wies den Angaben nach selbst nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen noch eine Kapazität von über 100 Milliamperestunden pro Gramm auf. Die Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie haben den Wissenschaftlern nach kaum schlechter abgeschnitten. „Solche weiterentwickelten Pyrazin-Polymerkathoden könnten in umweltfreundlichen, langlebigen, wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien der nächsten Generation eingesetzt werden“, resümiert Wang. (vb)

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