Ett gemensamt forskarlag från Tohoku University och University of California, Los Angeles (UCLA) har gjort ett betydande framsteg mot högspänningsmetallfria litiumjonbatterier som använder en liten organisk molekyl – krokonsyra. Genombrottet för oss närmare att förverkliga metallfria, högenergi- och billiga litiumjonbatterier.

Till skillnad från konventionella litiumjonbatterier, som är beroende av sällsynta jordartsmetaller som kobolt och litium, utnyttjar organiska batterier naturligt rikliga element som kol, väte, kväve och syre. Dessutom har organiska batterier större teoretisk kapacitet än konventionella litiumjonbatterier eftersom deras användning av organiska material gör dem lätta. De flesta rapporterade organiska batterier hittills har dock en relativt låg (1–3V) arbetsspänning. Ökad spänning hos organiska batterier kommer att leda till batterier med högre energidensitet.

Itaru Honma, professor i kemi vid Tohoku Universitys Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Hiroaki Kobayashi, biträdande professor i kemi vid Tohoku University, och Yuto Katsuyama, doktorand vid UCLA, fann att krokonsyra, när den används som litium -jonbatteri katodmaterial, håller en stark arbetsspänning på cirka 4 V.

Krokonsyra har fem kolatomer bundna till varandra i en pentagonal form, och vart och ett av kolen är bundna till syre. Den har också en hög teoretisk kapacitet på 638,6 mAh/g, vilket är mycket högre än de konventionella litiumjonbatteriets katodmaterial (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "Vi undersökte det elektrokemiska beteendet hos krokonsyra i högspänningsområdet över 3 V med hjälp av teoretiska beräkningar och elektrokemiska experiment", säger Kobayashi. "Vi upptäckte att krokonsyra lagrar litiumjoner vid ungefär 4 V, vilket ger en mycket hög teoretisk energitäthet på 1949 Wh/kg, vilket är större än de flesta oorganiska och organiska litiumjonbatterier."

Även om den teoretiska kapaciteten inte uppnåddes i denna studie, är forskarna optimistiska att detta kan förbättras genom utvecklingen av stabila elektrolyter vid högspänning och kemiska modifieringar av krokonsyra. Eftersom de flesta elektrolyter inte kan stå för en så stark arbetsspänning av krokonsyra, är det viktigt att utveckla nya elektrolyter. Dessutom kan strukturerna hos små organiska molekyler, inklusive krokonsyra, lätt modifieras. Lämplig strukturell modifiering kan stabilisera molekylen, vilket leder till större kapacitet och reversibilitet.

Forskningen publiceras i Advanced Science . + Utforska vidare

Ett steg närmare biologiskt nedbrytbara hushållsbatterier