Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien basieren weitgehend auf der Verwendung kritischer, manchmal giftiger Metalle, deren Gewinnung und Recycling Umwelt- und geopolitische Probleme aufwerfen. Seit mehreren Jahren erforschen Wissenschaftler daher Alternativen wie organische Batterien, die aus kohlenstoff-, wasserstoff- und stickstoffreichen Molekülen hergestellt werden.
Diese Materialien bieten mehrere Vorteile: eine weniger energieintensive Synthese aus reichlich vorhandenen Ressourcen, eine bessere Recyclingfähigkeit und vor allem eine große Freiheit im chemischen Design. Sie ebnen sogar den Weg zu vollständig metallfreien Molekularbatterien vom Typ "Anion-Ion". Eine wichtige Herausforderung bleibt jedoch bestehen: die Identifizierung von Materialien für die negative Elektrode, die bei niedrigem Potenzial arbeiten können, während sie ihre Stabilität über die Lade- und Entladezyklen hinweg bewahren.
Deutsche Wissenschaftler der Universität Ulm und französische Wissenschaftler des Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (CNRS/Nantes Université) haben sich für eine Familie von Molekülen interessiert, die als "Super-Elektronendonatoren" bezeichnet werden. Diese sehr elektronenreichen Verbindungen können bei elektrochemischen Reaktionen leicht Elektronen abgeben.
Das Team integrierte erstmals eines dieser auf Bi(Benzimidazol) basierenden chemischen Motive in mehrere Polymere, die als negative Elektrode dieses Anion-Ionen-Batterietyps dienen sollten. Zwei dieser Materialien zeigten ein besonders interessantes Verhalten: Sie arbeiten bei etwa 2,1 V vs. Li+/Li, einem bemerkenswert niedrigen Wert für diese Art von organischen Polymeren.
Obwohl die getesteten Polymere eine Fähigkeit zur reversiblen Speicherung und Freisetzung elektrischer Energie demonstrierten, nimmt ihre Leistung jedoch nach mehreren Zyklen ab. Das Team schlägt eine Erklärung für dieses Phänomen vor: Bei den elektrochemischen Reaktionen könnten sich die reduzierten Moleküle vorübergehend in "Carbene" verwandeln, hochreaktive chemische Spezies, die das Material allmählich schädigen können.
Diese Ergebnisse werden die zukünftige Forschung leiten, um stabilere und leistungsfähigere organische Materialien auf Basis von Super-Elektronendonatoren zu entwickeln.
Die untersuchten Polymere zeigen dennoch, dass es möglich ist, Materialien zu erhalten, die bei niedriger Spannung arbeiten, ohne auf Metalle zurückzugreifen. Sie unterstreichen auch die entscheidende Bedeutung der chemischen Stabilität. Zukünftige Arbeiten müssen nun molekulare Architekturen entwickeln, die die elektronischen Eigenschaften von Bi(Benzimidazol) bewahren, während sie die Bildung dieser reaktiven Spezies verhindern. Ein notwendiger Schritt, bevor wirklich nachhaltige und wettbewerbsfähige organische Batterien in Betracht gezogen werden können.
Redakteur: AVR.