Lithium-Ionen-Akku mit hoher Spannung und hoher Energiedichte soll kostengünstig und metallfrei sein
| Jerry Huang
Anmerkung des Herausgebers: Forscher berichten über eine bahnbrechende Hochspannungs-Elektrochemie mit hoher Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, die wirtschaftlich und metallfrei (umweltfreundlich) ist. Diese organische Lithium-Ionen-Batterie der 4-V-Klasse zeichnet sich durch eine hohe theoretische Kapazität und eine hohe Spannung aus, während ihre praktischen Kathodenmaterialien und Elektrolyte noch unerforscht sind.
Sind redoxaktive organische kleine Moleküle für Lithium-Ionen-Batteriekathoden mit hoher Spannung (>4 V) geeignet?
Von: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | Erstveröffentlichung: 10. März 2022 auf Advanced Science
4 Organische Lithium-Ionen-Batterien der V-Klasse
Während organische Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazitäten große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, bleiben organische Hochvolt-Kathodenmaterialien unerforscht. In Artikel Nr. 2200187 berichten Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma und Mitarbeiter über die Elektrochemie von Croconsäure bei Hochspannung. Theoretische und experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die beiden Enolate in Croconsäure etwa 4 V Redox aufweisen, was zur Energiespeicherung genutzt werden kann.
Abstrakt
Während organische Batterien aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazitäten große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, bleiben organische Hochvolt-Aktivmaterialien (> 4 V vs. Li/Li+) unerforscht. Hier werden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie mit zyklischen Voltammetriemessungen kombiniert, um die Elektrochemie von Croconsäure (CA) für die Verwendung als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien sowohl in Dimethylsulfoxid- als auch in γ-Butyrolacton (GBL)-Elektrolyten zu untersuchen. DFT-Rechnungen zeigen, dass CA-Dilitiumsalz (CA-Li2) zwei Enolatgruppen aufweist, die Redoxreaktionen über 4,0 V eingehen, und eine theoretische Energiedichte auf Materialebene von 1949 Wh kg–1 für die Speicherung von vier Lithiumionen in GBL – was den Wert von beiden übersteigt herkömmliche anorganische und bekannte organische Kathodenmaterialien. Cyclovoltammetrische Messungen zeigen eine hochgradig reversible Redoxreaktion der Enolatgruppe bei ≈4 V in beiden Elektrolyten. Batterieleistungstests von CA als Lithium-Ionen-Batteriekathode in GBL zeigen zwei Entladespannungsplateaus bei 3,9 und 3,1 V und eine Entladekapazität von 102,2 mAh g–1 ohne Kapazitätsverlust nach fünf Zyklen. Mit den höheren Entladungsspannungen im Vergleich zu den bekannten, hochmodernen organischen kleinen Molekülen verspricht CA, ein erstklassiger Kathodenmaterialkandidat für zukünftige organische Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte zu sein.
Verweise:
- https://doi.org/10.1002/advs.202200187