(Phys.org) —Tanniner kan vara mest kända för sin närvaro i rött vin och te, men i en ny studie har forskare för första gången visat att tanniner från trädbark också kan fungera som batterikatodmaterial. Eftersom trädbarken är cirka 15 viktprocent tanniner, tanniner är naturligt rikliga, vilket är en faktor som gör dem till ett lovande material för att utforma hållbara, låg kostnad, metallfritt, högpresterande batterier.

Förutom deras utbredda tillgänglighet, en annan anledning till att tanniner verkar vara ett så lovande batterimaterial är deras höga halter av fenol - de har den högsta fenolhalten bland någon polymer som produceras av levande organismer. Höga halter av fenol är viktiga eftersom den tanninbaserade batteriets primära laddningsmekanism är en reversibel kemisk reaktion där fenol omvandlas till kinon.

Forskarna, ledd av Hongli Zhu vid Northeastern University i Boston, tillsammans med doktoranden Alolika Mukhopadhyay som huvudförfattare och medförfattare från National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, har publicerat ett papper om tanninbatterikatoden i ett senaste nummer av Nano bokstäver .

"Den största fördelen med att använda en förnybar polymer -tannin är att Nature producerar en enorm mängd tannin, som kan extraheras från underutnyttjad bark med minimal kostnad och ansträngningar, "Berättade Zhu Phys.org . "De redoxaktiva fenoliska hydroxylgrupperna av tanniner är mer än 5000 gånger högre än lignin, som tidigare ansågs vara den mest lovande biopolymeren för elektrokemisk energilagring. På grund av tannins betydande låga molekylvikt och extremt höga fenoliska hydroxylhalt, det genomträngande nätverket av tanniner och polypyrrol visar en enastående elektrokemisk prestanda. Vi tror att tannin är den nya mästaren för naturligt förekommande redoxaktiva biopolymerer. "

I experiment, forskarna visade att en typ av tannin som kallas "ellagitannin" extraherad från barken på ett kastanjeträd kan användas för att tillverka batterikatoder för batterier som uppvisar en utmärkt övergripande prestanda, inklusive stor kapacitans och hög energitäthet. Designen består av ellagitannin kombinerat med polymerpyrpyrrol för hög konduktivitet, som placeras ovanpå ett kolsyrat träunderlag.

Träunderlaget bidrar också till den goda batteriprestandan på grund av de mycket anpassade kanalerna i dess cellulära struktur. Dessa kanaler, som växten en gång använde för att transportera vatten och näringsämnen, används nu för att transportera elektroner och joner i det nya batteriet.

Även om tillverkning av tanniner utgör ett stort skifte från att använda konventionella metallmaterial som litium, den naturligt förekommande föreningen kan erbjuda lösningar på två av de största utmaningarna inför framtida energilagringssystem:bristen på metallmaterial och de höga kostnaderna för materialsyntes. Som forskarna visar i den nya studien, naturligt förekommande tanniner kan renas till låg kostnad för deras användning i batterier.

Tidigare forskning har visat att andra växtbaserade material också verkar lovande som alternativa batterimaterial. En biopolymer som har studerats utförligt är lignin, som finns i växternas cellväggar och ger trä och bark deras styva struktur. Även om det är rikligt, lignin har en hög molekylvikt jämfört med dess relativt låga fenolhalt. Eftersom fenolinnehållet till stor del avgör den elektrokemiska prestandan, såsom energitäthet och lagringskapacitet, den låga fenolhalten i lignin begränsar den potentiella prestandan hos ligninbaserade batterier.

En av de största fördelarna med tanniner är att de har en lägre molekylvikt än lignin, medan deras fenolhalt är 5, 000 gånger högre. Dessa skillnader erbjuder potential för tillverkning av batterier med mycket högre energitäthet och kapacitet.

När forskarna precis har börjat undersöka potentialen för tanniner i batterier, de förväntar sig att det kommer att vara möjligt att ytterligare förbättra dessa batteriers prestanda i framtiden.

"Laddningskapaciteten för tannin är hög, "Sade Zhu." Men tannins inneboende höga vattenlöslighet ledde till förlust av effektivt material, orsakar kapacitet att blekna med tiden. Därför, Vi försöker kemiskt modifiera tannin för att säkerställa en stabil och säker prestanda i en tuff miljö. "

© 2017 Phys.org