Organische Kathode stößt an die Batteriegrenzen

Ein leitfähiges Polymerdesign, das eine höhere Energiedichte, eine größere Temperaturtoleranz und eine verbesserte Sicherheit in Lithium-Ionen-Zellen bieten kann.

Forscher der Tianjin-Universität und der South China University of Technology haben eine organische Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die auf einem technischen Kathodenmaterial basiert.Die Studie beschreibt eine leitfähige Polymerelektrode, die dazu entwickelt wurde, langjährige Einschränkungen bei der Leistung organischer Batterien zu beseitigen.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien basieren auf anorganischen Kathoden, die Metalle wie Kobalt und Nickel enthalten, was Bedenken hinsichtlich der Ressourcenverfügbarkeit, Sicherheit und mechanischen Festigkeit aufwirft.Im Gegensatz dazu stammen organische Elektrodenmaterialien aus häufiger vorkommenden Quellen und können strukturell maßgeschneidert werden, standen jedoch in der Vergangenheit vor Herausforderungen bei der Erzielung einer hohen Energiedichte und eines schnellen Lithiumionentransports.

Das Forschungsteam entwickelte ein leitfähiges Polymer vom n-Typ, bekannt als Polybenzofurandion oder PBFDO, als Kathodenmaterial.Das Polymer weist eine hohe elektronische Leitfähigkeit, einen schnellen Lithiumionentransport und ein stabiles Strukturverhalten unter verschiedenen Bedingungen auf.Aus diesem Material baute das Team eine Pouch-Zelle zusammen, die eine Energiedichte von über 250 Wattstunden pro Kilogramm erreichte.Zum Vergleich: Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben typischerweise eine Leistung zwischen 160 und 200 Wattstunden pro Kilogramm.

Die Batterie arbeitete in einem Temperaturfenster von minus 70 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius.In mechanischen Tests behielt die organische Kathode nach Biegen und Komprimieren ihre Struktur und Kapazität bei.Eine Amperestunden-Pouchzelle bestand auch einen Durchstoßtest ohne Feuer oder Explosion.

„Diese Forschung durchbricht die traditionellen Einschränkungen der Batterietechnologie in Bezug auf Ressourcenabhängigkeit und Umweltauswirkungen“, sagte Professor Xu Yunhua, der leitende Forscher.„Es erreicht nicht nur die Energiedichte handelsüblicher Batterien, sondern bietet auch überlegene Sicherheit und einen viel größeren Betriebstemperaturbereich.“

Forscher arbeiten an der Produktion im Pilotmaßstab und erforschen Anwendungen in flexibler Elektronik, tragbaren Geräten und leichten Energiespeichersystemen, bei denen Sicherheit, Anpassungsfähigkeit und Temperaturbeständigkeit von entscheidender Bedeutung sind.