Onderzoekers onder aanvoering van Bidhan Pandit van Imperial College in Londen hebben een overzicht gepubliceerd van polymere elektroden voor vastestofmetaalionbatterijen. De drie onderzoekers evalueren daarin de belangrijkste klassen polymere elektrodematerialen, waaronder geleidende polymeren zoals polyaniline en poly(3,4-etheendioxythiofeen) (PEDOT), evenals redoxactieve polymeren. Ze schetsen ontwerpstrategieën om de prestaties te verbeteren door middel van scheikundige trucs als structuuraanpassing, vernetting en composietvorming.

Conventionele metaalionbatterijen zijn sterk afhankelijk van brandbare organische vloeibare elektrolyten, die een ernstig brandrisico vormen. Ook kunnen zich door herhaaldelijk laden en ontladen metaaldendrieten ontstaan, wat kan leiden tot kortsluiting en volledige uitval. Vastestofbatterijen vervangen vloeibare elektrolyten door vaste alternatieven, wat de veiligheid vergroot en een hogere energiedichtheid biedt.
Vastestofraakvlakken brengen echter nieuwe problemen met zich mee zoals een slecht contact, hoge weerstand, mechanische scheurvorming en onstabiele raakvlakvorming. Deze problemen worden vooral ernstig bij vaste keramische elektrolyten, die vaak contact verliezen door volumeveranderingen. Al die problemen bij energieopslag vraagt om een veiliger oplossing zonder de ‘ongemakken die ontstaan met vaste elektrolyten. Zouden volledige organische batterijen de oplossing zijn?

De onderzoekers stellen dat succesvolle vastestofbatterijen een doelbewust medeontwerp van polymere elektroden en vaste elektrolyten vereisen, in plaats van elk onderdeel afzonderlijk te optimaliseren . Geleidende polymeren slaan lading op via gedelocaliseerde π-elektronsystemen en omkeerbare dopingprocessen, waardoor intrinsieke elektronische geleidbaarheid mogelijk is naast ionentransport; die ze bij uitstek geschikt maakt voor vastesstofarchitecturen.
De auteurs wijzen echter ook op belangrijke zwakke punten zoals de zwelling van polymeren in vloeibare of quasi-vaste elektrolyten, beperkte ionische en elektronische percolatie en instabiliteit van het raakvlak bij polymeer-/elektrolytcontacten. Om deze problemen te overwinnen bieden ze strategieën zoals verknoopte netwerken, composieten met koolstofnanobuisjes of grafeen en in-situ polymerisatie waardoor elektrolyten zich nauwkeurig aan elektrodeoppervlakken kunnen aanpassen. Ze vergelijken ook de prestaties van lithium-, natrium-, zink- en magnesiumsystemen en laten zien dat amorfe polymeerelektroden bijzonder goed werken voor grotere ionen zoals natrium.

De auteurs onderzoeken verder covalente organische raamwerken (COF’s) en metaal-organische raamwerken (MOF’s), die geordende ionentransportkanalen en verbeterde selectiviteit bieden met behoud van mechanische flexibiliteit. Deze hybride systemen combineren polymeerflexibiliteit met kristallijne precisie, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan ​​voor raakvlakgeoptimaliseerde elektrolyten. Het overzicht behandelt ook praktische uitdagingen zoals de werking bij lage temperaturen, snelle laad- en ontlaadcycli en schaalbare productie. Het biedt ook een routekaart naar commercieel haalbare volledig organische batterijen.

Samenhangend systeem

“De sleutel is om polymeerelektroden en vaste elektrolyten te beschouwen als één samenhangend systeem in plaats van als afzonderlijke onderdelen”, stellen de auteurs. “Wanneer je een zachte polymeerelektrode tegen een stijve keramische elektrolyt plaatst, kan het raakvlak de zwakste schakel worden. Deze scheurt of er ontstaat weerstand, maar door beide materialen samen te ontwerpen, met behulp van polymeer-keramische composieten of in-situ polymerisatie, kunnen we dat raakvlak omzetten in een functionele zone die de batterij juist beter laat werken. De echte kans ligt in het bouwen van volledig organische batterijen die niet alleen veiliger en flexibeler zijn, maar ook gemakkelijker te kringlopen en duurzaam te produceren, met behulp van bio-afgeleide materialen.”

Flexibele, vastestofpolymeerbatterijen zouden de volgende generatie draagbare elektronica, medische implantaten en opvouwbare schermen van stroom kunnen voorzien,toepassingen waar conventionele, stijve batterijen tekortschieten. Naast consumentenelektronica zouden volledig organische batterijen gemaakt van bio-afgeleide materialen de afhankelijkheid van geopolitiek gevoelige metalen zoals kobalt en nikkel kunnen verminderen, waardoor zowel de milieuvervuiling als de risico’s in de toeleveringsketen afnemen.

Hun intrinsieke veiligheid maakt ze ook aantrekkelijk voor elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag, waar brandgevaar een grote zorg blijft. Het onderzoek pleit voor geïntegreerde, duurzame productieprocessen om de productie op te schalen. Met de voortdurende vooruitgang in ki-ondersteund materiaalonderzoek en raakvlaktechniek zouden polymeergebaseerde vastestofbatterijen een duurzaam, flexibel en goedkoop alternatief kunnen bieden voor de huidige dominante lithiumiontechnologie, denkt het drietal.

Bron: Alpha Galileo