Metalle werden typischerweise als aktive Materialien für negative Elektroden in Batterien verwendet. In jüngster Zeit werden redoxaktive organische Moleküle wie Moleküle auf Chinon- und Aminbasis als negative Elektroden in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien mit sauerstoffreduzierenden positiven Elektroden verwendet. Dabei nehmen Protonen und Hydroxidionen an den Redoxreaktionen teil. Solche Batterien weisen eine hohe Leistung auf, die nahe an der theoretisch möglichen Maximalkapazität liegt. Darüber hinaus überwindet der Einsatz redoxaktiver organischer Moleküle in wiederaufladbaren Luftbatterien Probleme im Zusammenhang mit Metallen, einschließlich der Bildung von Strukturen namens „Dendriten“, die die Batterieleistung beeinträchtigen und negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Allerdings verwenden diese Batterien – genau wie metallbasierte Batterien – flüssige Elektrolyte, die große Sicherheitsbedenken wie hohen elektrischen Widerstand, Auslaugungseffekte und Entflammbarkeit mit sich bringen.
Jetzt in einer neuen Studie veröffentlicht in Angewandte Chemie Internationale Ausgabe Am 2. Mai 2023 hat eine Gruppe japanischer Forscher eine wiederaufladbare Festkörper-Luftbatterie (SSAB) entwickelt und deren Kapazität und Haltbarkeit untersucht. Die Studie wurde von Professor Kenji Miyatake von der Waseda-Universität und der Universität Yamanashi geleitet und von Professor Kenichi Oyaizu von der Waseda-Universität mitverfasst.
Als aktive Materialien wählten die Forscher eine Chemikalie namens 2,5-Dihydroxy-1,4-benzochinon (DHBQ) und sein Polymer Poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzochinon-3,6-methylen) (PDBM). die negative Elektrode aufgrund ihrer stabilen und reversiblen Redoxreaktionen unter sauren Bedingungen. Darüber hinaus nutzten sie ein protonenleitendes Polymer namens Nafion als Festelektrolyten und ersetzten damit herkömmliche Flüssigelektrolyte. „Meines Wissens nach wurden bisher keine Luftbatterien auf Basis organischer Elektroden und festem Polymerelektrolyten entwickelt„, sagt Miyatake.
Nachdem der SSAB installiert war, bewerteten die Forscher experimentell seine Lade-Entlade-Leistung, seine Geschwindigkeitseigenschaften und seine Zyklenfähigkeit. Sie fanden heraus, dass sich der SSAB im Gegensatz zu typischen Luftbatterien, die eine metallische negative Elektrode und einen organischen flüssigen Elektrolyten verwenden, in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff nicht verschlechterte. Darüber hinaus führte der Ersatz des redoxaktiven Moleküls DHBQ durch sein polymeres Gegenstück PDBM zu einer besseren negativen Elektrode. Während die Kapazität pro Gramm Entladung des SSAB-DHBQ 29,7 mAh betrug, betrug der entsprechende Wert des SSAB-PDBM 176,1 mAh bei einer konstanten Stromdichte von 1 mAcm-2.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Coulomb-Effizienz von SSAB-PDBM bei 4 °C 84 % betrug und bei 10 °C allmählich auf 66 % abnahm. Während sich die Entladekapazität von SSAB-PDBM nach 30 Zyklen auf 44 % verringerte, konnten die Forscher sie durch die Erhöhung des protonenleitenden Polymeranteils der negativen Elektrode deutlich auf 78 % verbessern. Elektronenmikroskopische Bilder bestätigten, dass die Zugabe von Nafion die Leistung und Haltbarkeit der PDBM-basierten Elektrode verbesserte.
Diese Studie demonstriert den erfolgreichen Betrieb eines SSAB, der redoxaktive organische Moleküle als negative Elektrode, ein protonenleitendes Polymer als Festelektrolyt und eine sauerstoffreduzierende positive Elektrode vom Diffusionstyp umfasst. Die Forscher hoffen, dass dadurch der Weg für weitere Fortschritte geebnet wird. „Diese Technologie kann die Akkulaufzeit kleiner elektronischer Geräte wie Smartphones verlängern und letztendlich zur Verwirklichung einer CO2-freien Gesellschaft beitragen.“ schließt Miyatake.
