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Natrium-Ionen-Batterien

Effiziente Anoden aus Chinacridonen

27. Januar 2023, 8:00 Uhr | Ralf Higgelke

2,9-Dimethylchinacridon (2,9-DMQA) ist ein organischer Farbstoff, aus dem sich durch Pyrolyse ein Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien herstellen lassen.

Natrium-Ionen-Batterien gelten als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da Lithium nur begrenzt verfügbar ist. Nun haben Forscher der Pusan National University eine effiziente Anode für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt, bei der sie Chinacridone (QAC) als Vorprodukt nutzten.

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Lithium ist teuer und nur begrenzt verfügbar, sodass es notwendig ist, über Lithium-Ionen-Batterien hinaus noch andere leistungsstarke Energiespeichersysteme zu entwickeln. Natrium ist ein vielversprechender Kandidat, denn es besitzt ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie Lithium, ist aber gleichzeitig nachhaltig und kostengünstig.

Allerdings sind Natrium-Ionen groß und wandern nur langsam, sodass sie schlecht in die Mikrostrukturen von handelsüblichen Graphit-Anoden interkalieren. Folglich ist die Anodenstruktur von Natrium-Ionen-Batterien (Sodium Ion Batteries, SIB) instabil und die Speicherfähigkeit gering. In dieser Hinsicht sind mit Fremdatomen dotierte kohlenstoffhaltige Materialien vielversprechend. Doch deren Herstellung ist kompliziert, teuer und zeitaufwendig.

Kürzlich hat ein Team unter der Leitung von Professor Seung Geol Lee von der südkoreanischen Pusan National University als Vorstufe für die Herstellung von kohlenstoffhaltigen SIB-Anoden Chinacridone (QAC) verwendet. »Organische Pigmente wie Chinacridone besitzen eine Vielzahl von Strukturen und funktionalen Gruppen. Daher verhalten sie sich bei der thermischen Zersetzung unterschiedlich und entwickeln unterschiedliche Mikrostrukturen«, erklärte Prof. Lee. »Pyrolysierte Chinacridone eignen sich als Vorprodukt für Energiespeichermaterialien und können die Leistungsfähigkeit von Batterien stark beeinflussen. Daher lässt sich eine hocheffiziente Batterie realisieren, indem man die Struktur der organischen Pigmente als Vorprodukt steuert.«

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Gezielte Pyrolyse von 2,9-Dimethylchinacridon

Bei ihrer Studie konzentrierten sich die Forscher auf 2,9-Dimethylchinacridon (2,9-DMQA). Das Molekül besitzt zwei parallele Stränge. Bei der Pyrolyse (thermische Zersetzung) bei +600 °C verfärbt sich das anfangs rötliche 2,9-DMQA schwarz, wobei die Ausbeute an Aktivkohle bei 61 Prozent liegt. Anschließend analysierten die Forscher die zugrunde liegenden Mechanismen der Pyrolyse umfassend.

Sie vermuteten, dass die Zersetzung von Methyl-Substituenten bei +450 °C freie Radikale erzeugt, die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe mit einer in Längsrichtung gewachsenen Mikrostruktur bilden, die durch Bindungsbrücken entlang der parallelen Packungsrichtung entsteht. Darüber hinaus setzten stickstoff- und sauerstoffhaltige Funktionsgruppen in 2,9-DMQA Gase frei, die in der Mikrostruktur ungeordnete Domänen bilden. Im Unterschied dazu entwickelte das pyrolysierte unsubstituierte Chinacridon hochaggregierte Strukturen. Dies deutet darauf hin, dass die morphologische Veränderung maßgeblich davon abhängt, wie das Vorprodukt ausgerichtet ist.

Darüber hinaus zeigte sich, dass bei +600 °C pyrolysiertes 2,9-DMQA als Anode für SIB eine Kapazität von 290 mAh/g bei 0,05 A/g aufweist. Sie ist auch zyklenfest, denn die Restkapazität mit einem Lade-/Entladestrom von 5 A/g beträgt nach 1000 Zyklen 134 mAh/g. Die stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gruppen verbesserten die Speicherfähigkeit der Batterie, indem sie die Oberfläche begrenzten und den Abstand zwischen den Schichten vergrößerten.

Originalpublikation

S. Chae, et al., Longitudinally grown pyrolyzed quinacridones for sodium-ion battery anode, Chemical Engineering Journal, Volume 453, Part 1, 2023, 139805, ISSN 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139805.