Baanbrekende bevindingen in onderzoek naar organische elektrodes voor duurzame energieopslag

De beschikbaarheid van stabiele, positieve organische elektroden die kunnen werken bij hoge spanningen en in omgevingscondities is beperkt. In dit onderzoek tonen onderzoekers een zeer effectieve methode om het werkpotentieel van organische elektrodematerialen voor batterijen aan te passen. Deze materialen zijn gebaseerd op gefunctionaliseerde fenyleendiaminen met trifluormethanesulfonyl- en cyanogroepen. Hierdoor zijn zeven verschillende lithiumhoudende triflimiden- en cyanamidesamenstellingen ontstaan. Met andere woorden: de onderzoekers bestudeerden verschillende moleculen die lithiumatomen reversibel kunnen opslaan.

De nieuw ontwikkelde materialen vertonen een uitstekende omgevingsstabiliteit en een hoog redoxpotentieel, waardoor het landschap van n-type organische positieve Li-ion elektrodematerialen wordt uitgebreid. Met name de triflimiden vertonen een ongekend hoog redoxpotentiaal van 3,8 V vs. Li+/Li, het hoogste onder de tot nu toe gerapporteerde n-type organische positieve elektrodematerialen.

Stukjes LEGO
Twee belangrijke eigenschappen in deze ‘race’ voor het vinden van nieuwe verbindingen zijn een hoog redoxpotentiaal (hoge spanning) en een hoge stabiliteit (zowel qua omgeving als elektrochemisch). Süleyman Er, groepsleider Autonomous Energy Materials Discovery bij DIFFER: “Deze nieuwe materialen moeten chemisch functioneel zijn, samengesteld uit overvloedige chemische elementen, gemakkelijk te synthetiseren en structureel aanpasbaar. Dit is nodig, zodat je de eigenschappen kunt veranderen door het veranderen van hun chemische samenstelling. Vergelijk het met LEGO-stukjes; je kunt (rijkelijk aanwezige) elementen als C, H, O, N, F en S op verschillende manieren combineren. Zo kun je nieuwe verbindingen maken en de gewenste functionaliteit van deze verbindingen instellen, bijvoorbeeld voor efficiënte energieopslag. Voer vervolgens uitgebreide modellering en structurele en elektrochemische analyses uit om te bepalen hoe ze presteren als batterijmateriaal.”

Duurzame oplossingen voor energieopslag
Nu de klimaatverandering steeds urgenter wordt, is de behoefte aan duurzame oplossingen voor energieopslag van groot belang, met name voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen in elektriciteitsnetten. Traditionele lithium-ionbatterijen spelen een belangrijke rol in deze energietransitie, maar hebben te kampen met uitdagingen als grondstoffenschaarste en milieuproblemen vanwege hun metalen onderdelen. Organische elektrodematerialen zijn veelbelovende alternatieven die talrijke voordelen bieden, zoals duurzaamheid, kostenefficiëntie en ontwerpflexibiliteit.

Deze baanbrekende bevindingen helpen niet alleen het gebied van organische elektrodematerialen vooruit. De resultaten verkleinen ook de ‘prestatiekloof’ tussen organische en anorganische alternatieven. En bieden zo nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzamere en efficiëntere energieopslagsystemen.