Att införliva organiskt material i litiumjonbatterier kan sänka kostnaderna och göra dem mer miljövänliga, A*STAR-forskare har hittat. Teamet har utvecklat en organisk-baserad batterikatod som har avsevärt förbättrat elektrokemisk prestanda jämfört med tidigare organiska katodmaterial. Avgörande, det nya materialet är också robust, förblir stabil under tusentals batteriladdnings-/urladdningscykler.

katoden, den positiva elektroden i litiumjonbatterier, är en kritisk komponent. En elektronbrist, stel organisk molekyl som kallas hexaazatrinaftalen (HATN) har tidigare undersökts som ett organiskt katodmaterial för litiumjonbatterier. Dock, dess lovande initiala prestanda minskade snabbt under användning, eftersom molekylen började lösas upp i batteriets flytande elektrolyt.

Ett nytt katodmaterial, där HATN kombinerades med grafenoxid i ett försök att förhindra att det organiska materialet löses upp, har nu utvecklats av Yugen Zhang och hans kollegor från A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology.

I grafenoxid, ett enatomtjockt ark av kolatomer är delvis täckt av ett lager av syreatomer. "Grafenoxid har utmärkt elektronisk ledningsförmåga, och ytsyrefunktionalitet som kan bilda vätebindande interaktioner med HATN, " säger Zhang. Han förklarar att detta gjorde grafenoxid till en lovande kandidat för att bilda en nanokomposit av HATN-grafenoxid.

Nanokompositens prestanda överträffade förväntningarna. Materialen kombinerades för att bilda kärna-skal nanorods där HATN var belagd med grafenoxid. "Grafenoxid och HATN bildade en mycket fin kompositstruktur, som löste upplösningsproblemet med HATN i elektrolyt och gav katoden mycket bra cyklingsstabilitet, " säger Zhang. Ett litiumjonbatteri som använder detta material som katod behöll 80 procent av sin kapacitet efter 2000 laddnings-/urladdningscykler.

Teamet såg ännu bättre prestanda när de kombinerade grafenoxid med ett HATN-derivat som kallas hexaazatrinaftalentrikarboxylsyra (HATNTA). Ett batteri tillverkat av detta material behöll 86 procent av sin kapacitet efter 2, 000 laddnings-/urladdningscykler. Den förbättrade prestandan beror förmodligen på de polära karboxylsyragrupperna på HATNTA-molekylen, som fäste molekylen ännu starkare till grafenoxiden.

Teamet fortsätter att utveckla nya material för att förbättra prestandan hos organiska katoder, säger Zhang. Förutom att undersöka alternativ till grafenoxid, teamet arbetar också med HATN-baserade porösa polymerer för användning som organiska katodmaterial, vilket bör förbättra jonflödet under batteriladdning och urladdning.