Lithium-Ionen-Batterien stecken in nahezu allen tragbaren elektronischen Geräten, Energiespeichersystemen und Elektrofahrzeugen. Ihre Entwicklung wurde mit dem diesjährigen Nobelpreis ausgezeichnet. Der Batterietyp der nächsten Generation muss jedoch eine höhere Energiedichte und eine bessere Kapazität aufweisen sowie aus preiswerten, sichereren und umweltfreundlicheren Materialien bestehen.
Intensiv untersucht werden wiederaufladbare Batterien, die grundsätzlich nach der gleichen Technologie funktionieren wie die Lithium-Ionen-Batterien, bei denen aber das Lithium-Ion durch billigere Metall-Ionen wie Natrium-, Magnesium- und Aluminium-Ionen ersetzt wird. Allerdings machen die Elektrodenmaterialien das nicht so einfach mit. Neue Materialien werden also gesucht.
Organische Materialien bieten sich hierbei an, denn sie enthalten (meist) keine schädlichen und teuren Schwermetalle und können leicht für verschiedene Zwecke angepasst werden. Leider lösen sie sich im flüssigen Elektrolyten auf, sodass eine solche Elektrode instabil ist.
Die neue Kathode
Chunsheng Wang, sein Team von der US-amerikanischen University of Maryland und ein internationales Team von Wissenschaftlern haben eine organische Polymerkathode entwickelt, die sich sich nicht auflöst, gleichzeitig aber mit einer hohen Kapazität bei schneller Entladung und Ladung aufwartet. Für das Natrium-Ion zeigte sie eine deutlich bessere kurz- und langfristige Kapazität als andere Kathoden aus polymeren oder anorganischen Materialien. Auch für das Magnesium- und Aluminium-Ion waren die Daten laut der Studie hervorragend.
Die Stabilität ist der Trick
Als Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte und guter Einlagerungsbereitschaft für Methall-Ionen identifizierten die Wissenschaftler die organische Verbindung Hexaazatrinaphthalin (HATN). In Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren wurde das HATN bereits getestet, aber wie die meisten organischen Materialien löste es sich im Elektrolyten auf.
Der Trick war nun, erzählten die Autoren, das Material zu stabilisieren. Dafür verknüpften die Forscher die einzelnen Moleküle mit Bindungsbrücken. Entstanden war ein organisches Polymer namens polymeres HATN oder PHATN. Die Kapazität für das Natrium-, Aluminium- und das Magnesium-Ion war ausgezeichnet.
Umfangreiche Tests mit 50.000 Zyklen
Getestet wurde die PHATN-Kathode dann in Metall-Ionen-Batterien mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten, der ionenleitenden Flüssigkeit, die die beiden Elektroden miteinander verbindet. Die Batteriedaten waren hervorragend. Die Natrium-Ionen-Batterie konnte bei einer Spannung von 3,5 V betrieben werden und wies den Angaben nach selbst nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen noch eine Kapazität von über 100 mAh/g auf. Die Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie waren kaum schlechter.
Solche weiterentwickelten Pyrazin-Polymerkathoden (Pyrazin ist die Grundsubstanz von HATN, es ist eine aromatische benzolähnliche, aber stickstoffreiche organische Substanz mit fruchtigem Duft) könnten in umweltfreundlichen, langlebigen, wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien der nächsten Generation eingesetzt werden.
Die Forschungsarbeit ist im Original in der Zeitschrift Angewandte Chemie erschienen.
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