Nästa generations batterier kommer förmodligen att ersätta litiumjoner med mer rikliga och miljövänliga alkalimetall- eller flervärda joner. En stor utmaning, dock, är utvecklingen av stabila elektroder som kombinerar höga energidensiteter med snabba laddnings- och urladdningshastigheter. I journalen Angewandte Chemie , Amerikanska och kinesiska forskare rapporterar om en högpresterande katod gjord av en organisk polymer för att användas till låg kostnad, miljövänligt, och hållbara natriumjonbatterier.

Litiumjonbatterier är den senaste tekniken för bärbara enheter, energilagringssystem, och elfordon, vars utveckling har belönats med årets Nobelpris. Ändå, nästa generations batterier förväntas ge högre energitätheter, bättre kapacitet, och användningen av billigare, säkrare, och mer miljövänliga material. Nya batterityper som är mest utforskade använder i stort sett samma gungstolsladdnings-urladdningsteknik som litiumbatteriet, men litiumjonen ersätts med billiga metalljoner som natrium, magnesium, och aluminiumjoner. Tyvärr, denna ersättning medför stora justeringar av elektrodmaterialen.

Organiska föreningar är gynnsamma som elektrodmaterial eftersom, för en, de innehåller inte skadliga och dyra tungmetaller, och de kan anpassas till olika ändamål. Deras nackdel är att de löser sig i flytande elektrolyter, vilket gör elektroderna i sig instabila.

Chunsheng Wang och hans team från University of Maryland, U.S., och ett internationellt team av forskare har introducerat en organisk polymer som en hög kapacitet, snabbladdning, och olösligt material för batterikatoder. För natriumjonen, polymeren överträffade nuvarande polymera och oorganiska katoder i kapacitetsleverans och retention, och för flervärda magnesium- och aluminiumjoner, uppgifterna släpade inte långt efter, enligt studien.

Som ett lämpligt katodiskt material, forskarna identifierade den organiska föreningen hexaazatrinaftalen (HATN), som redan har testats i litiumbatterier och superkondensatorer, där den fungerar som en katod med hög energidensitet som snabbt interkalerar litiumjoner. Dock, som de flesta organiska material, HATN löstes upp i elektrolyten och gjorde katoden instabil under cykling. Tricket var nu att stabilisera materialets struktur genom att införa kopplingar mellan de enskilda molekylerna, förklarade forskarna. De fick en organisk polymer som kallas polymer HATN, eller PHATN, som erbjöd snabb reaktionskinetik och hög kapacitet för natrium, aluminium, och magnesiumjoner.

Efter montering av batteriet, forskarna testade PHATN-katoden med en högkoncentrerad elektrolyt. De fann utmärkta elektrokemiska prestanda för icke-litiumjonerna. Natriumbatteriet kunde drivas vid höga spänningar upp till 3,5 volt och bibehöll en kapacitet på mer än 100 milliampere timmar per gram även efter 50, 000 cykler, och motsvarande magnesium- och aluminiumbatterier låg nära dessa konkurrenskraftiga värden, rapporterade författarna.

Forskarna föreställer sig dessa polymera pyrazinbaserade katoder (pyrazin är det organiska ämne som HATN är baserat på; det är en aromatisk bensolliknande, kväverikt organiskt ämne med en fruktig smak) för att användas i miljövänliga, hög energitäthet, snabba och ultrastabila nästa generations uppladdningsbara batterier.