3D zink-organisch polymeerbatterij bereikt een levensduur van 40.000 cycli met een retentie van 93%

Polymeerbatterij. Een 3D-polymeer-gebaseerde zink-organische batterij bereikt een recordstabiliteit en -spanning en gaat meer dan 40.000 cycli mee met minimaal verlies.

Organische batterijen worden al lang beschouwd als de heilige graal van duurzame energieopslag, omdat ze licht, recyclebaar en vrij van giftige metalen zijn. Qua kracht en stabiliteit schieten ze echter altijd tekort.

Nu heeft een onderzoeksteam uit China en Singapore een organische polymeerbatterij gebouwd die deze grenzen verlegt en een recordspanning en levensduur behaalt zonder dat dit ten koste gaat van de duurzaamheid.

Zink-organische batterij

In een wereld die op zoek is naar veiligere, groenere energiebronnen, zou deze zink-organische batterij een keerpunt kunnen betekenen. Door gebruik te maken van een nieuw 3D-polymeerframework hebben de onderzoekers de problemen met oplosbaarheid en geleidbaarheid overwonnen die organische kathodes al decennialang plagen.

Het resultaat is een batterij die niet alleen langer meegaat, maar ook betere prestaties levert dan ooit tevoren.

Het onderzoek, geleid door wetenschappers van de Nanjing University of Posts and Telecommunications, de National University of Singapore, het Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics en A*STAR, onthulde een op hexaazatrifenyleen gebaseerd polymeer, genaamd HAT-TP, dat een nieuwe norm stelt op het gebied van energieopslag.

De batterij levert een indrukwekkende initiële ontladingsspanning van 1,32 volt en behoudt na 40.000 cycli nog steeds 93,4% van zijn capaciteit.

Deze prestatie markeert een van de meest duurzame prestaties ooit geregistreerd voor waterige zink-organische batterijen, een sector die kampt met slechte cyclusstabiliteit en capaciteitsvermindering.

Het doorbreken van de vloek van de cyclus

Het team creëerde het HAT-TP-polymeer door hexaazatrinaftyleen (HAT-CN) en hexaaminotriptyceen (THA-NH₂) te koppelen aan een 3D-framework. Deze architectuur onderdrukt de oplosbaarheid en verhoogt het aantal elektroactieve locaties dat beschikbaar is voor ioncoördinatie.

Karakterisering met behulp van XRD, FT-IR, NMR en elektronenmicroscopie bevestigde een poreuze 3D-structuur, wat cruciaal is voor de opmerkelijke elektrochemische prestaties.

Uit elektrochemische testen bleek dat de initiële ontladingsspanning 1,32 V bedroeg en het middelpunt 1,17 V, wat aanzienlijk hoger is dan bij conventionele organische kathodes.

De HAT-TP-accu leverde niet alleen een hoge spanning, maar vertoonde ook een uitzonderlijke stabiliteit. Na 40.000 cycli bij 5 A g⁻¹ behield de accu meer dan 93% van zijn capaciteit, met een Coulombische efficiëntie van bijna 100%.

Uit ex-situ-analyses en simulaties op basis van de dichtheidsfunctionaaltheorie is gebleken dat de batterij werkt via een reversibel Zn²⁺/H⁺-co-insertiemechanisme, waardoor een vijf-elektronenoverdrachtsproces voor hoge redoxactiviteit mogelijk is.

Theoretische modellen lieten een sterkere winst in Gibbs-vrije energie zien voor Zn²⁺/H⁺-binding in HAT-TP vergeleken met HAT-CN, wat het hoge ontladingspotentieel verklaart.

“Ons werk toont aan dat 3D-moleculaire polymerisatie een krachtige strategie is om langdurige barrières in zink-organische batterijen te overwinnen”, aldus de corresponderende auteurs prof. Chaobin He, prof. Wenyong Lai en prof. Qichong Zhang.

Door hexaazatrifenyleen te koppelen aan triptyceen-eenheden hebben we een stabiel, geleidend en zeer actief kathodemateriaal gecreëerd dat hoge spanning combineert met een extreem lange levensduur. Het vermogen om meer dan 90% van de capaciteit te behouden gedurende 40.000 cycli is ongekend in dit vakgebied en opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van organische materialen die niet alleen recyclebaar zijn, maar ook concurreren met anorganische systemen.

Een groenere toekomst mogelijk maken

Dankzij de lange levensduur, hoge energiedichtheid (tot 192,8 Wh kg⁻¹) en vrijwel perfecte efficiëntie kan HAT-TP grootschalige energieopslag veiliger en duurzamer maken.

De combinatie van hoge spanning, stabiliteit en recyclebaarheid maakt het tot een sterke kandidaat voor netwerkopslag en voor flexibele en draagbare elektronica die lichte, niet-giftige energiebronnen vereisen.

Het team gelooft dat de principes van 3D-polymeerontwerp naast zink-organische batterijen ook andere systemen kunnen transformeren, waaronder lithium -zwavel- en natriumbatterijen.

Door techniek op moleculair niveau te combineren met praktische prestaties, tilt dit werk organische batterijen van experimentele nieuwsgierigheid naar industrieel potentieel.

Het onderzoek is gepubliceerd in eScience .