Polymeerikatodi orgaanisille alumiini-ioni akuille

Kiinalaiset tutkijat ovat kehittäneet uuden kahden strategian lähestymistavan orgaanisten katodimateriaalien suunnitteluun, jotka samanaikaisesti saavuttavat korkean energiatiheyden ja pitkän käyttöiän alumiini-ioniakuissa (AIB).

Ladattavat AIB:t ovat houkuttelevia alumiinin runsauden, alempien kustannusten ja korkean teoreettisen kapasiteetin ansiosta. Niiden kehitystä on kuitenkin jatkuvasti haastanut sopivien katodimateriaalien puute, jotka kykenisivät tehokkaasti varastoimaan suuria kloorialuminaattianioneja.

Ongelmien ratkaisemiseksi professorit Shuqiang Jiaon ja Wei Wangin johtama tutkimusryhmä Pekingin tiede- ja teknologiayliopistosta sekä Yanli Zhu Pekingin teknillisestä instituutista käyttivät rationaalista molekyylisuunnittelustrategiaa.

Heidän työnsä perustuu periaatteeseen, jonka mukaan p-tyypin orgaaniset katodit toimivat menettämällä elektroneja korkeimmalta miehitetyltä molekyyliorbitaaliltaan (HOMO) hapettumisen aikana. HOMO-energiatason strateginen alentaminen pitäisi siis nostaa akun lähtöjännitettä. Tutkijat käyttivät ensin heteroatomien korvaamista tämän ominaisuuden kehittämiseksi. Vertaamalla sarjaa konjugoituja heterosyklisiä molekyylejä he tunnistivat tiantreenin (TT), jossa on kaksi rikkiatomia, elektronegatiivisimmaksi yksiköksi, jolla on alhaisin HOMO-energiataso, mikä lupaa korkeaa redox-potentiaalia.

Materiaalin kapasiteetin samanaikaiseksi parantamiseksi tiimi kehitti toisen strategian, joka keskittyi polymeerien sidosmalleihin. He suunnittelivat neljä rikki-heterosyklistä polymeeriä lisäämällä systemaattisesti aktiivisten TT-yksiköiden sidosta dimeeristä heksameeriin. Tämä ratkaisu nosti siirrettävien elektronien enimmäismäärän yksikköä kohden neljästä kahteentoista, mikä paransi suoraan teoreettista kapasiteettia.

Näiden kahden strategian synergia osoittautui erittäin onnistuneeksi. Optimoitu polymeeri, PTT-4, toimi poikkeuksellisena katodimateriaalina. Se tuotti korkean keskimääräisen purkausjännitteen, noin 1,7 V, ja ominaiskapasiteetin 150 mAh g⁻¹.

Tämä yhdistelmä johti alumiini-orgaanisten akkujen ennätykselliseen energiatiheyteen 255 Wh kg⁻¹, mikä ylitti ratkaisevasti tyypillisten grafiittikatodien suorituskykykaton.

Energiatiheyden lisäksi PTT-4-katodi osoitti huomattavaa kestävyyttä, mikä on käytännön sovellusten kannalta keskeinen vaatimus. Se osoitti erinomaista syklin vakautta jopa äärimmäisissä olosuhteissa, säilyttäen lähes 100 % kapasiteetistaan 12 000 lataus-purkaussyklin jälkeen −20 °C:n lämpötilassa.

Tämä tutkimus osoittaa, että kohdennettu molekyylimuokkaus voi ratkaista seuraavan sukupolven akkukemioiden perustavanlaatuisia rajoituksia.

Saavutettu virstanpylväs energiatiheydessä yhdistettynä poikkeukselliseen alhaisen lämpötilan syklin kestävyyteen vahvistaa molekyylimuokattujen orgaanisten polymeerien korkean teknologisen merkityksen tehokkaiden ja kestävien energian varastointijärjestelmien kehittämisessä arvioivat tutkijat.

Aiheesta aiemmin:

Tehdään uusi edullinen akku

Akkuja alumiinista ja polymeereistä

Vetyä ja polymeeriä akkuihin