Ein Schritt näher an der Entwicklung von organischen Batterien

Forscher der York University haben einen Weg gefunden, Lithium-betriebene Batterien umweltfreundlicher zu machen und gleichzeitig die Leistung, Stabilität und Speicherkapazität zu erhalten.

In Lithium-Ionen-Batterien werden giftige Schwermetalle verwendet, die bei ihrer Gewinnung aus dem Boden die Umwelt belasten können und nur schwer sicher zu entsorgen sind. Kobalt ist eines dieser Schwermetalle, die in Batterieelektroden verwendet werden. Ein Teil des Problems besteht darin, dass Lithium und Kobalt nicht im Überfluss vorhanden sind und die Vorräte schwinden.

Die Verwendung organischer Materialien ist der Weg in die Zukunft, und das hat Wissenschaftler wie Professor Thomas Baumgartner von der Wissenschaftsfakultät und sein Team dazu veranlasst, neue Moleküle zu entwickeln und zu testen, um die richtigen zu finden, die die derzeit verwendeten seltenen Metalle ersetzen.

„Organische Elektrodenmaterialien gelten als äusserst vielversprechende Materialien für nachhaltige Batterien mit hoher Leistung“, sagt er.

Ihr jüngster Durchbruch ist die Schaffung eines neuen organischen Moleküls auf Kohlenstoffbasis, das das heute in Kathoden oder positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien verwendete Kobalt ersetzen kann. Das neue Material behebt die Mängel des anorganischen Materials, während es gleichzeitig die Leistung aufrechterhält.

„Elektroden aus organischen Materialien können die Herstellung, das Recycling oder die Entsorgung dieser Elemente in großem Maßstab umweltfreundlicher machen“, sagt Baumgartner. „Das Ziel ist es, nachhaltige Batterien zu schaffen, die stabil sind und eine ebenso gute, wenn nicht sogar bessere Kapazität haben“.

Die Forschungsergebnisse werden veröffentlicht und auf dem Titelblatt der März-Ausgabe der Zeitschrift Batteries & Supercaps, einer ChemPubSoc-Publikation, vorgestellt.

„Mit dieser speziellen Klasse von Molekülen, die wir hergestellt haben, ist die elektroaktive Komponente sehr gut für Batterien geeignet, da sie elektrische Ladungen sehr gut speichern kann und eine gute Langzeitstabilität aufweist“, sagt er.

Baumgartner und seine Gruppe berichteten zuvor in einer in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlichten Arbeit über die elektroaktive Komponente.

„Wir haben diese elektroaktive Komponente optimiert und in eine Batterie eingebaut. Sie hat eine sehr gute Spannung, bis zu den 3,5 Volt, und das ist wirklich dort, wo die heutigen Batterien sind“, sagt er. „Das ist ein wichtiger Schritt vorwärts auf dem Weg zu vollständig organischen und nachhaltigen Batterien.

Baumgartner hat zusammen mit den Postdoc-Forschern Colin Brides und Monika Stolar auch gezeigt, dass dieses Material im Langzeitbetrieb stabil ist und die Fähigkeit besitzt, 500 Zyklen lang zu laden und zu entladen. Einer der Nachteile von anorganischen Elektroden ist, dass sie beim Aufladen beträchtliche Wärme erzeugen und aus Sicherheitsgründen eine begrenzte Entladungsrate erfordern. Mit diesem neuen Molekül wird dieser Mangel behoben.

Der nächste Schritt, so Baumgartner, ist die weitere Verbesserung der Kapazität. Sein Team entwickelt derzeit die nächste Generation von Molekülen, die eine vielversprechende Möglichkeit bieten, die derzeitige Kapazität zu erhöhen.