Einstieg in die Post-Lithium-Technologie

Preiswerte und umweltfreundliche Metalle wie Natrium und mehr­wertige Leicht­metalle sollen einmal Lithium in der Batterie­techno­logie ersetzen. Eine große Heraus­forderung ist jedoch die Entwicklung lang­lebiger und stabiler Elektroden mit hoher Energie­dichte und gleich­zeitig schneller Lade- und Entlade­rate. Ein Wissen­schaftler­team aus den USA und China hat hierfür eine Hoch­leistungs­kathode aus einem organischen Polymer entwickelt. Das Material eignet sich besonders für wieder­auflad­bare Batterien mit Natrium-Ionen-Technik.

Organische Materialien bieten sich insbesondere an, weil sie meist keine schädlichen und teuren Schwer­metalle enthalten und sich leicht für verschiedene Zwecke anpassen lassen. Leider lösen sie sich im flüssigen Elektro­lyten auf, sodass eine solche Elektrode instabil ist. Chunsheng Wang von der University of Maryland in den USA und ein inter­nationales Team von Wissen­schaftlern haben eine organische Polymer­kathode entwickelt, die sich nicht auflöst, gleich­zeitig aber mit einer hohen Kapazität bei schneller Entladung und Ladung aufwartet. Für das Natrium-Ion zeigte sie eine deutlich bessere kurz- und lang­fristige Kapazität als andere Kathoden aus polymeren oder anorganischen Materialien. Auch für das Magnesium- und Aluminium-Ion waren die Daten laut der Studie hervor­ragend.

Als Kathodenmaterial mit hoher Energie­dichte und guter Einlagerungs­bereit­schaft für Metall­ionen identi­fi­zierten die Wissen­schaftler die organische Verbindung Hexa­azatrin­aphthalin HATN. In Lithium-Ionen-Batterien und Super­konden­satoren wurde das HATN bereits getestet, aber wie die meisten organischen Materialien löste es sich im Elektro­lyten auf. Um das Material zu stabili­sieren verknüpften die Forscher die einzelnen Moleküle mit Bindungs­brücken. Entstanden war ein organisches Polymer namens polymeres HATN oder PHATN. Die Kapazität für das Natrium-, Aluminium- und das Magnesium-Ion war ausge­zeichnet.

Getestet wurde die PHATN-Kathode dann in Metall-Ionen-Batterien mit einem hoch­konzen­trierten Elektro­lyten. Die Batterie­daten waren hervor­ragend. Die Natrium-Ionen-Batterie konnte bei einer Spannung von 3,5 Volt betrieben werden und wies den Angaben nach selbst nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen noch eine stolze Kapazität von über hundert Milli­ampere­stunden pro Gramm auf. Die Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie waren kaum schlechter. Solche weiter­entwickelten Pyrazin-Polymer­kathoden könnten in umwelt­freund­lichen, lang­lebigen, wieder­auflad­baren Hoch­leistungs­batterien der nächsten Generation einge­setzt werden.

GDCh / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  M. Mao et al.: A Pyrazine‐Based Polymer for Fast‐Charge Batteries, Ang. Ch., online 30. September 2019; DOI: 10.1002/ange.201910916
• Polymer Reaction Engineering Laboratory, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Maryland, College Park, USA