Leitfähige Polymere, synthetische Substanzen mit großen Molekülen, die Elektrizität leiten können, können ein breites Spektrum wertvoller Anwendungen haben. Beispielsweise wurden sie zur Herstellung von Sensoren, Leuchtdioden, Photovoltaik und verschiedenen anderen Geräten verwendet.
In den letzten Jahren haben sich diese leitfähigen Materialien als besonders vielversprechend für die Herstellung von Geräten zur Energieumwandlung und -speicherung, einschließlich Batterien, erwiesen. Verfahren zum Hinzufügen dieser Funktionalitäten sind jedoch nicht immer zuverlässig, was die großtechnische Implementierung von Batterien auf Basis dieser Materialien erheblich einschränkt.
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, haben kürzlich eine Strategie vorgestellt, die helfen könnte, hierarchisch geordnete Strukturen (HOS) mit wohldefinierten Formen in leitfähigen Polymeren zuverlässig zu entwickeln. Diese Strategie, die in einem Artikel vorgestellt wurde, der in veröffentlicht wurde Energie der Naturkönnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsstarker Batterietechnologien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, eröffnen.
„Beim konventionellen Design leitfähiger Polymere werden organische Funktionalitäten über Bottom-up-Syntheseansätze eingeführt, um spezifische Eigenschaften durch Modifikation der einzelnen Polymere zu verbessern“, schreiben Tianyu Zhu und seine Kollegen in ihrer Veröffentlichung. „Leider führt die Hinzufügung funktioneller Gruppen zu widersprüchlichen Effekten, die ihre skalierte Synthese und breite Anwendungen einschränken. Wir zeigen ein leitfähiges Polymer mit einfachen primären Bausteinen, das thermisch verarbeitet werden kann, um hierarchisch geordnete Strukturen (HOS) mit wohldefinierten nanokristallinen Morphologien zu entwickeln .“
Anstatt die Primärstrukturen leitfähiger Polymere zu verändern, wie es in früheren Arbeiten der Fall war, untersuchten Zhu und seine Kollegen die Möglichkeit, gut organisierte 3D-Architekturen auf den Materialien zu bilden. Diese Strukturen könnten wünschenswerte Funktionalitäten ermöglichen, ohne dass die primäre Strukturkomplexität eines Polymers erhöht werden müsste.
Der von den Forschern vorgeschlagene Ansatz zur Bildung dieser Strukturen basiert auf einem kontrollierten thermischen Prozess. Im Rahmen ihrer Studie verwendeten sie es speziell zur Verbesserung der mechanischen und Transporteigenschaften eines leitfähigen Polymers namens Poly(9,9-dioctylfluorene-co-fluorenoneco-methylbenzoic ester) oder PFM.
„Unser Ansatz zur Konstruktion permanenter HOS in leitfähigen Polymeren führt zu einer erheblichen Verbesserung der Ladungstransporteigenschaften und der mechanischen Robustheit, die für praktische Lithium-Ionen-Batterien entscheidend sind“, erklärten Zhu und seine Kollegen in ihrem Artikel. „Schließlich zeigen wir, dass leitfähige Polymere mit HOS eine außergewöhnliche Zyklenleistung von Vollzellen mit hochbelastbaren SiOx-basierten Anoden in Mikrometergröße ermöglichen, die Flächenkapazitäten von mehr als 3,0 mAh cm-2 über 300 Zyklen und einen durchschnittlichen Coulomb-Wirkungsgrad von > 99,95 liefern %.“
Erste Auswertungen, die von diesem Forscherteam durchgeführt wurden, lieferten sehr vielversprechende Ergebnisse und unterstrichen das Versprechen ihres Ansatzes zur Verbesserung der Funktionalitäten leitfähiger Polymere. Zhu und seine Kollegen zeigten dann, dass diese verbesserten Polymere die Herstellung hochleistungsfähiger Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen.
Während die Forscher ihre Methode bisher hauptsächlich auf das Polymer PFM anwendeten, könnte sie möglicherweise dazu verwendet werden, die Transporteigenschaften einer Vielzahl anderer leitfähiger Polymere zu verändern. Dies bedeutet, dass es die Entwicklung zahlreicher Technologien und Geräte unterstützen könnte, darunter biologische Sensoren, Displays und Photovoltaik, um beispielsweise deren Stabilität, Transporteffizienz und Haltbarkeit zu erhöhen.
Mehr Informationen:
Tianyu Zhu et al, Bildung hierarchisch geordneter Strukturen in leitfähigen Polymeren zur Leistungssteigerung von Lithium-Ionen-Batterien, Energie der Natur (2023). DOI: 10.1038/s41560-022-01176-6
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