Hoogspannings-Li-ionbatterij met hoge energiedichtheid blijkt goedkoop en metaalvrij te zijn
| Jerry Huang
Noot van de redactie: onderzoekers rapporteren een doorbraak in hoogspannings-elektrochemie met hoge energiedichtheid van lithium-ionbatterijen die economisch en metaalvrij (milieuvriendelijk) is. Deze organische lithium-ionbatterij van de 4 V-klasse heeft een hoge theoretische capaciteit en een hoge spanning, terwijl hun praktische kathodematerialen en elektrolyten onontgonnen blijven.
Zijn redox-actieve organische kleine moleculen toepasbaar voor hoogspannings (>4 V) lithium-ionbatterijkathoden?
Door: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | Voor het eerst gepubliceerd: 10 maart 2022 op Advanced Science
4 V-klasse organische lithium-ionbatterijen
Hoewel organische lithium-ionbatterijen veel aandacht hebben getrokken vanwege hun hoge theoretische capaciteiten, blijven organische hoogspanningskathodematerialen onontgonnen. In artikelnummer 2200187 rapporteren Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma en collega's de elektrochemie van croconzuur bij hoogspanning. Theoretisch en experimenteel onderzoek bevestigen dat de twee enolaten in croconzuur rond de 4 V-redox vertonen, die kan worden gebruikt voor energieopslag.
Abstract
Hoewel organische batterijen veel aandacht hebben getrokken vanwege hun hoge theoretische capaciteiten, blijven organische actieve materialen met hoog voltage (> 4 V vs Li/Li+) onontgonnen. Hier worden berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie gecombineerd met cyclische voltammetriemetingen om de elektrochemie van croconzuur (CA) te onderzoeken voor gebruik als kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen in zowel dimethylsulfoxide als γ-butyrolacton (GBL) elektrolyten. DFT-berekeningen tonen aan dat CA-dilitiumzout (CA-Li2) twee enolaatgroepen heeft die redoxreacties van meer dan 4,0 V ondergaan en een theoretische energiedichtheid op materiaalniveau van 1949 Wh kg-1 voor het opslaan van vier lithiumionen in GBL, wat de waarde van beide overschrijdt conventionele anorganische en bekende organische kathodematerialen. Cyclische-voltammetriemetingen onthullen een zeer omkeerbare redoxreactie door de enolaatgroep bij -4 V in beide elektrolyten. Batterijprestatietests van CA als lithium-ionbatterijkathode in GBL tonen twee ontlaadspanningsplateaus bij 3,9 en 3,1 V, en een ontlaadcapaciteit van 102,2 mAh g-1 zonder capaciteitsverlies na vijf cycli. Met de hogere ontladingsspanningen in vergelijking met de bekende, ultramoderne organische kleine moleculen, belooft CA een uitstekende kandidaat voor kathodemateriaal te zijn voor toekomstige organische lithium-ionbatterijen met hoge energiedichtheid.
Referenties:
- https://doi.org/10.1002/advs.202200187