Huokoinen ja radikaali COF parantaa litium-rikki-akkuja

Professori Yan Lun (HZB) ja professori Arne Thomasin (Berliinin teknillinen yliopisto) johtama tiimi on kehittänyt materiaalin, joka parantaa litium-rikki-akkujen kapasiteettia ja vakautta.

Materiaali perustuu polymeereihin, jotka muodostavat avoimilla huokosilla varustetun rungon (tunnetaan radikaalikationisina kovalenttisina orgaanisina runkoina tai COF-rakenteina).

Näissä huokosissa tapahtuu katalyyttisesti kiihdytettyjä reaktioita, jotka sitovat polysulfideja tiukasti, mikä lyhentää akun käyttöikää.

Orgaanisista polymeereistä valmistetut kiteiset runkorakenteet ovat erityisen mielenkiintoinen materiaaliluokka. Niille on ominaista sienen kaltainen korkea huokoisuus, mutta huokoset ovat korkeintaan muutaman mikrometrin kokoisia.

Näillä materiaaleilla voi olla erityisiä toimintoja, jotka tekevät niistä kiinnostavia tietyissä sovelluksissa sähkökemiallisissa energian varastointilaitteissa. Ne voisivat esimerkiksi toimia "isäntinä" rikkiyhdisteille, kuten polysulfideille litium-rikki-akkujen elektrodeissa.

Ajatuksena on, että polysulfidit voisivat sitoutua COF-rakenteiden huokosten sisäpintoihin ja reagoida siellä tuottaen uudelleen alkuainerikkiä. Tämä ei kuitenkaan ole vielä toiminut kunnolla.

Professoreiden Lun ja Thomasin  johtama tiimi on nyt osoittanut merkittävän edistysaskeleen uudella COF-materiaalilla. Lisäämällä tiettyjä "radikaaleja" tiimi saavutti halutun reaktion katalyyttisen kiihtymisen huokosissa.

Materiaali koostuu tetratiafulvaleeniyksiköistä ([TTF] 2 •+ ) ja trisulfidiradikaalianioneista (S3 • - ), jotka ovat yhteydessä bentsotiatsolin ( R-TTF •+ -COF ) kautta. Tämä parantaa merkittävästi COF:n katalyyttistä aktiivisuutta ja sähkönjohtavuutta.

"Parittomilla elektroneilla on tärkeä rooli COF:ien mikro-/mesohuokosissa", Yan Lu selittää: "Ne edistävät delokalisoituneita π- orbitaaleja, mikä helpottaa varauksen siirtymistä kerrosten välillä ja parantaa siten katalyyttisiä ominaisuuksia."

Erittäin monimutkaisessa tutkimuksessa tiimi on selvittänyt radikaalimotiivien keskeisen roolin rikin pelkistysreaktioiden katalysoinnissa.

Työn tulos on hämmästyttävä: Li-S-akun suorituskyky paranee merkittävästi uuden R-TTF •+ -COF-materiaalin käytön myötä. Li-S-akkujen käyttöikä kasvaa siten yli 1 500 sykliin, ja kapasiteettihäviö on vain 0,027 % sykliä kohden.

Tällaista Li-S-akkujen kestävyyttä ei ole vielä saavutettu COF-materiaaleilla tai muilla puhtaasti orgaanisilla katalyyteillä. Viime vuosien raporttien mukaan Li-S-akut kestävät tyypillisesti alle 1 000 sykliä.

Aiheesta aiemmin:

Miten voittaa litium-rikkiakun suurin haaste

Kohti ympäristökestävämpiä akkuratkaisuja

Uusi sähköenergian varastoinnin materiaali