In einem neuen Bericht beschreiben Wissenschaftler von Skoltech und ihre Kollegen ein organisches Material für die nächste Generation von Energiespeichergeräten, dessen Struktur auf einem eleganten Prinzip des molekularen Designs basiert. Es wurde kürzlich im Journal ACS Applied Energy Materials veröffentlicht und zierte das Cover der Ausgabe.
Während die moderne Welt zunehmend auf Energiespeichergeräte angewiesen ist, wird die Einführung nachhaltiger Akkumulator-Technologien immer wichtiger. Diese Technologien sind umweltfreundlicher, leichter zu recyceln, verwenden nur eine begrenzte Anzahl von Elementen und sind kostengünstiger. Organische Akkumulatoren sind vielversprechende Kandidaten für solche Zwecke. Allerdings sind organische Kathodenmaterialien, die viel Energie pro Masseeinheit speichern, schnell aufgeladen werden können, eine hohe Lebensdauer aufweisen und in großen Maßstäben leicht hergestellt werden können, noch nicht ausreichend entwickelt.
Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher von Skoltech ein einfaches oxidativ aktives Polyimid vorgeschlagen. Es wurde durch Erhitzen einer Mischung aus aromatischem Dianhydrid und Meta-Phenylenediamin synthetisiert – beides leicht verfügbare Reagenzien. Das Material zeigte vielversprechende Potenziale in verschiedenen Arten von Energiespeichergeräten wie Lithium-, Natrium- und Kaliumakkumulatoren. Es weist hohe spezifische Kapazitäten (bis zu ~140 mAh/g), relativ hohe Oxidations-Reduktions-Potentiale, eine gute Stabilität unter zyklischen Belastungen (bis zu 1000 Zyklen) und eine schnelle Ladefähigkeit (<1 Min) auf.
Die Energie und Ausgangsleistung des neuen Materials waren besser im Vergleich zu seinem zuvor bekannten Isomer, das aus Para-Phenylenediamin gewonnen wurde. Mit Hilfe von Mitarbeitern des Instituts für chemische Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften wurde gezeigt, dass es zwei Hauptgründe für die bessere Leistung des neuen Polyimids gibt. Erstens hatte es kleinere Partikel und eine deutlich größere spezifische Oberfläche, was eine leichtere Diffusion von Ladungsträgern ermöglichte. Zweitens ermöglichte die räumliche Anordnung der benachbarten Imid-Einheiten im Polymer eine energetisch vorteilhaftere Bindung von Metallionen, was die Oxidations-Reduktions-Potentiale erhöhte.
„Diese Arbeit ist nicht nur deshalb interessant, weil ein neues organisches Kathodenmaterial untersucht wurde“, sagt Roman Kapayev, Doktorand an Skoltech, der diese Forschung entwickelt hat, „sondern wir schlagen ein neues Prinzip des molekularen Designs für Polyimide in Akkumulatoren vor, das die Verwendung aromatischer Moleküle mit Aminogruppen in Meta-Positionen als Bausteine beinhaltet. Lange Zeit haben Wissenschaftler diesem strukturellen Motiv wenig Aufmerksamkeit geschenkt und es durch Para-Phenylenediamin oder ähnliche Strukturen ersetzt. Unsere Ergebnisse bieten nützliche Einblicke, wie Polyimide für Akkumulatoren auf molekularer Ebene entwickelt werden sollten, was zu Kathodenmaterialien mit noch besseren Eigenschaften führen könnte.“