Forschung

Neue Kathoden für Protonen-Akkus

03.05.2022 - Organische Sulfonamide zeigen sich als robustes und flexibles Material.

Protonen-Akkus gelten als möglicher Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus. Sie speichern die Ladung nicht in Form von Lithiumionen, sondern durch Übertragung der leichten und beweglichen Protonen. Dadurch entfällt bei diesem Batterietyp der umwelt­schädliche Abbau von Lithium. Zudem sorgen die beweglichen Protonen für deutlich kürzere Ladezeiten als bei anderen Batterie­typen. Verbessert werden muss jedoch noch die Leistung der Elektroden. So erreicht die positive Elektrode, die Kathode, noch eine recht niedrige Ausgangs­spannung. Bingan Lu und seine Kollegen von der chinesischen Hunan-Universität in Changsha haben nun das Material der Elektrode grundlegend verändert. Anstelle von organischen Carbonyl­verbindungen oder Cyanid-basierten Farbstoffen setzten sie organische Sulfonamide als Kathoden­material ein.

Sulfonamide speichern die Protonen nicht am Sauerstoff, wie das bei den Carbonyl­verbindungen der Fall ist, sondern am Stickstoff der Sulfonamid­gruppe. „Das Stickstoff­atom hat eine freie Stelle mehr als das Sauerstoffatom, kann fremde Elektronen aufnehmen und wird dadurch viel mani­pulierbarer“, erläutern die Forschenden. Durch Anbringen von elektronen­ziehenden Gruppen am Molekülgerüst steigerten sie das elektrische Potential des Materials. Die erreichte Ausgangsspannung lag bei einem Volt, zwanzig Prozent höher als bei den besten konkur­rierenden Materialien. Dabei sei durch geschicktes Molekül­design noch Luft nach oben, schreiben die Forschenden.

Für einen vollständige Protonen-Akku entwickelten Lu und Kollegen auch einen gelartigen Elektrolyten, der an das Kathoden­material angepasst war und einen flexiblen Aufbau ermöglichte. Das biegsame Akku-Pack überstand 600 Lade-Entlade­zyklen ohne Kapazitäts­verlust. Der Vorteil der Sulfonamide sei aber nicht nur die chemische Manipulierbarkeit. Das neue Kathoden­material sei auch einfach herzustellen, unter normalen Umgebungs­bedingungen stabil und löse sich kaum in Wasser. Da solche Sulfonamid-basierte Protonen-Akkus keine Schwer­metalle enthalten, sondern nur aus ungiftigen organischen Verbindungen bestehen, seien sie laut Aussage der Wissen­schaftler auch einfach zu recyclen.

Wiley-VCH / JOL

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