Der Klimawandel ist ein großes globales Problem. Die Verringerung der CO2-Emissionen durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen und die Entwicklung effizienter Energiespeichersysteme ist zu einer Priorität geworden. Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte und eine lange Zyklenlebensdauer, was sie in tragbarer Elektronik sowie Elektrofahrzeugen unverzichtbar macht. Die hohen Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit von Lithium erfordern jedoch die Entwicklung alternativer Energiespeichersysteme. Zu diesem Zweck haben Forscher Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) als möglichen Kandidaten vorgeschlagen.
Abgesehen davon, dass Natrium ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie Lithium hat, ist es sowohl nachhaltig als auch kostengünstig. Seine Ionen sind jedoch groß und haben eine träge Diffusionskinetik, was ihre Aufnahme in die Kohlenstoffmikrostrukturen der kommerzialisierten Graphitanoden behindert. Folglich leiden SIB-Anoden unter struktureller Instabilität und schlechter Speicherleistung. In dieser Hinsicht sind mit Heteroatomen dotierte kohlenstoffhaltige Materialien vielversprechend. Ihre Herstellung ist jedoch kompliziert, teuer und zeitaufwändig.
Kürzlich verwendete ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Seung Geol Lee von der Pusan National University in Korea Chinacridone als Vorstufen zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen SIB-Anoden. „Organische Pigmente wie Chinacridone haben eine Vielzahl von Strukturen und funktionellen Gruppen. Dadurch entwickeln sie unterschiedliche thermische Zersetzungsverhalten und Mikrostrukturen. Als Vorstufe für Energiespeichermaterialien verwendet, können pyrolysierte Chinacridone die Leistung von Sekundärbatterien stark variieren. Daher ist es möglich, eine hocheffiziente Batterie zu implementieren, indem man die Struktur der Vorstufe organischer Pigmente steuert“, erklärt Prof. Lee.
Ihre Studie wurde am 17. Oktober 2022 online gestellt und wird im veröffentlicht Zeitschrift für Verfahrenstechnik am 1. Februar 2023.
Die Forscher konzentrierten sich in ihrer Studie auf 2,9-Dimethylchinacridon (2,9-DMQA). 2,9-DMQA hat eine parallele molekulare Packungskonfiguration. Bei der Pyrolyse (thermische Zersetzung) bei 600°C änderte sich 2,9-DMQA von rötlich zu schwarz mit einer hohen Kohleausbeute von 61 %. Als nächstes führten die Forscher eine umfassende experimentelle Analyse durch, um den zugrunde liegenden Pyrolysemechanismus zu beschreiben.
Sie schlugen vor, dass die Zersetzung von Methylsubstituenten bei 450 °C freie Radikale erzeugt, die polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit einer in Längsrichtung gewachsenen Mikrostruktur bilden, die aus Bindungsbrücken entlang der parallelen Packungsrichtung resultiert. Darüber hinaus setzten stickstoff- und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen in 2,9-DMQA Gase frei, wodurch ungeordnete Domänen in der Mikrostruktur erzeugt wurden. Im Gegensatz dazu entwickelte pyrolysiertes unsubstituiertes Chinacridon stark aggregierte Strukturen. Dies legte nahe, dass die morphologische Entwicklung signifikant durch die Kristallorientierung des Vorläufers beeinflusst wurde.
Zusätzlich zeigte 2,9-DMQA, pyrolysiert bei 600°C, eine hohe Ratenfähigkeit (290 mAh/g bei 0,05 A/g) und ausgezeichnete Zyklusstabilität (134 mAh/g bei 5 A/g für 1000 Zyklen) als SIB Anode. Die stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gruppen verbesserten die Batteriespeicherung weiter durch Oberflächenbegrenzung und Erhöhung des Zwischenschichtabstands.
„Organische Pigmente wie Chinacridone können als Anodenmaterialien in Natrium-Ionen-Batterien verwendet werden. Angesichts der hohen Effizienz werden sie eine effektive Strategie für die Massenproduktion von Energiespeichersystemen im großen Maßstab bieten“, schließt Prof. Lee.
Mehr Informationen:
Seongwook Chae et al., In Längsrichtung gewachsene pyrolysierte Chinacridone für Natriumionen-Batterieanoden, Zeitschrift für Verfahrenstechnik (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.139805
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University