Alla som har ägt en smartphone i över ett år är med största sannolikhet medvetna om att dess inbyggda litium(Li)-jonbatteri inte håller lika mycket laddning som när enheten var ny. Nedbrytningen av litiumjonbatterier är ett allvarligt problem som avsevärt begränsar livslängden för bärbara elektroniska enheter, indirekt orsakar enorma mängder föroreningar och ekonomiska förluster. Dessutom, det faktum att litiumjonbatterier inte är särskilt hållbara är en massiv vägspärr för marknaden för elfordon och skörd av förnybar energi. Med tanke på hur allvarliga dessa problem är, Det är ingen överraskning att forskare aktivt har letat efter sätt att förbättra den senaste konstruktionen av Li-ion-batterier.

En av de främsta orsakerna till minskningen av kapacitet över tiden i litiumjonbatterier är försämringen av de allmänt använda grafitanoderna – de negativa polerna i batterier. Anoden, tillsammans med katoden (eller den positiva terminalen) och elektrolyten (eller mediet som bär laddningen mellan två terminaler), tillhandahålla en miljö där de elektrokemiska reaktionerna för laddning och urladdning av batteriet kan äga rum. Dock, grafit kräver ett bindemedel för att förhindra att det faller sönder vid användning. Den mest använda pärmen idag, poly(vinylidenfluorid) (PVDF), har en rad nackdelar som gör det långt ifrån ett idealiskt material.

För att ta itu med dessa problem, ett team av forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) undersöker en ny typ av bindemedel gjord av en bis-imino-acenaphtenquinone-paraphenylene (BP) sampolymer. Deras senaste studie, publiceras i ACS Applied Energy Materials , leddes av professor Noriyoshi Matsumi och involverade även professor Tatsuo Kaneko, Universitetslektor Rajashekar Badam, Ph.D. student Agman Gupta, och tidigare postdoktor Aniruddha Nag.

Så, i vilka avseenden överträffar BP-sampolymeren det konventionella PVDF-bindemedlet för grafitanoder? Först, BP-bindemedlet ger betydligt bättre mekanisk stabilitet och vidhäftning till anoden. Detta kommer delvis från de så kallade π–π-interaktionerna mellan bis-imino-acenaftenkinongrupperna och grafit, och även från den goda vidhäftningen av sampolymerens ligander till batteriets kopparströmkollektor. För det andra, inte bara är BP-sampolymeren mycket mer ledande än PVDF, den bildar också en tunnare ledande fast elektrolytgränsyta med mindre motstånd. För det tredje, BP-sampolymeren reagerar inte lätt med elektrolyten, vilket också i hög grad förhindrar dess nedbrytning.

Alla dessa fördelar tillsammans ledde till några allvarliga prestandaförbättringar, som forskarna visade genom experimentella mätningar. "Medan en halvcell som använder PVDF som bindemedel uppvisade endast 65 % av sin ursprungliga kapacitet efter cirka 500 laddnings-urladdningscykler, halvcellen som använde BP-sampolymeren som bindemedel visade en kapacitetsretention på 95 % efter över 1700 sådana cykler, " belyser Prof. Matsumi. De BP-sampolymerbaserade halvcellerna visade också en mycket hög och stabil coulombisk effektivitet, ett mått som jämför mängden laddning som strömmar in och ut ur cellen i en given cykel; detta är också en indikation på batteriets långvariga hållbarhet. Bilder av bindemedlen tagna med ett svepelektronmikroskop före och efter cykling avslöjade att endast små sprickor bildades på BP-sampolymeren, medan stora sprickor redan hade bildats på PVDF på mindre än en tredjedel av det totala antalet cykler.

De teoretiska och experimentella resultaten av denna studie kommer att bana väg för utveckling av långvariga Li-ion-batterier. I tur och ordning, detta kan få långtgående ekonomiska och miljömässiga konsekvenser, som Prof. Matsumi förklarar:"Förverkligandet av hållbara batterier kommer att bidra till utvecklingen av mer pålitliga produkter för långvarig användning. Detta kommer att uppmuntra konsumenter att köpa dyrare batteribaserade tillgångar som elfordon, som kommer att användas i många år." Han påpekar också att hållbara batterier skulle vara goda nyheter för dem som förlitar sig på konstgjorda organ, såsom patienter med vissa hjärtsjukdomar. Självklart, den allmänna befolkningen skulle också gynnas, med tanke på hur mycket smartphones, tabletter, och bärbara datorer används och laddas varje dag.