Sedan 2012 har Stefan Freunberger från Institute for Chemistry and Technology of Materials vid TU Graz har arbetat med utveckling av en ny generation batterier med förbättrad prestanda och längre livslängd, och som också är billigare att producera än nuvarande modeller. Han tror att litium-syre batterier har betydande potential. År 2017, under sitt arbete, Freunberger avslöjade paralleller mellan cellåldring i levande organismer och i batterier. I båda fallen, mycket reaktivt singlett syre ansvarar för åldrandet. Denna form av syre, som har varit i fokus för Freunbergers forskning under de senaste åren, produceras när litium-syre-batterier laddas eller laddas ur. Den Graz-baserade forskaren har nu hittat sätt att minimera de negativa effekterna av singlet-syre, och hans fynd har publicerats i kända tidskrifter Naturkommunikation och Angewandte Chemie .

Stabila redoxförmedlare är nyckeln till energieffektivitet

I sitt papper i Naturkommunikation , Freunberger beskriver effekten av singlet -syre på det som kallas redoxmediatorer, som kan reduceras reversibelt eller oxideras. Arbetet utfördes i samarbete med forskare från Sydkorea och USA. Redoxmediatorer spelar en viktig roll i elektronflödet mellan den yttre kretsen och laddningsmagasinet i syrebatterier, och har också en betydande inverkan på deras prestanda. Principen bakom medlare är lånad från naturen, där de är ansvariga för en mängd olika funktioner i levande celler, inklusive att överföra nervimpulser och producera energi. "Fram till nu antogs att redoxmediatorer inaktiveras av superoxider och peroxider. Men våra experiment har visat att detta beror på verkan av singlet -syre, "sa Freunberger. Forskarna använde beräkningar av densitetsfunktionella teorier för att demonstrera varför vissa klasser av mediatorer är mer resistenta mot singlet -syre än andra. De identifierade också dess troligaste attackvägar. Dessa insikter driver fram utvecklingen av nya, mer stabila redoxförmedlare. "Ju mer stabila medlarna, desto effektivare, vändbara och långvariga blir batterierna, "Förklarade Freunberger.

DABCOnium ger effektivt skydd mot singlet -syre

Förutom att inaktivera redoxförmedlare, singlet -syre utlöser också parasitära reaktioner, som äventyrar batteriets livslängd och laddningsbarhet. Så, Freunberger försökte identifiera en lämplig släckare som omvandlar singlet syre som produceras till ofarligt triplett syre, som förekommer i luften - biologin pekade honom i rätt riktning. "Ett enzym som kallas superoxiddismutas blockerar bildandet av singlet -syre i levande celler. I stället, Jag använde DABCOnium - som är ett salt av den organiska kväveföreningen DABCO - i mina experiment. "DABCOnium är en elektrolytadditiv som är mycket mer resistent mot oxidation än tidigare identifierade släckare, och är kompatibel med en litiummetallanod. På det här sättet, för första gången skapade Freunberger förutsättningar för laddning av litiumsyre -celler som i stort sett var fria från sidreaktioner - med andra ord, utan parasitiska reaktioner. Dock, som Freunberger visade förra året, singlet-syre orsakar också problem i den senaste generationens litiumjonbatterier, liksom i syrebatterier. Detta innebär att släckare också är betydelsefulla för det förra. Freunberger publicerade detaljer om denna singlet -syredämpare i tidningen Angewandte Chemie .

Idealfall:Kombinerad medlare och släckare

Nästa steg i Freunbergers forskning kommer att innebära att man sammanför sina resultat och utvecklar en ny klass mediatorer. Dessa bör vara särskilt motståndskraftiga mot attacker från singlet -syre och även bekämpa det effektivt genom att utföra en släckningsfunktion. Detta skulle dramatiskt förlänga livslängden för litium-syre-batterier och maximera energieffektiviteten.