Voll-organische Na-Ionen Batterie basierend auf konjugierten Carbonylverbindungen

Im letzten Jahrzehnt haben sich Lithium-Ionen-Batterien für die Mehrheit der mobilen Anwendungen von handlichen elektronischen Kleingeräten bis hin zu hohe Leistung fordernden Hybrid-Autos als die bevorzugte Technologie erwiesen, was auf ihre Fähigkeit, hohe Energie und Leistungsdichten bereitzustellen, zurückzuführen ist. (Armand and Tarascon, Nature 2008; Van Noorden, Adv. Sci. 2014) Doch die Nutzung von Lithium hat Nachteile: Es ist teuer und seine Gewinnung belastet die Umwelt. Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu umgehen, wäre, statt Lithium Natrium zu verwenden, das ähnliche chemische Eigenschaften besitzt und in deutlich größeren Mengen vorkommt; die Konzentration von Natrium in der Erdkruste ist um das mehr als Tausendfache höher als die von Lithium. Obgleich Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien bereits in den 1970er- und 1980er- Jahren erforscht wurden, wurde aufgrund des schnellen Erfolgs der Lithium-Ionen-Batterien die Forschung an der schwieriger zu realisierenden Natrium-Ionen-Batterie überwiegend aufgegeben größtenteils mangels geeigneter Elektrodenmaterialien. Eine Ausnahme bildeten lediglich die Hochtemperatur-Systeme. Erst kürzlich wurde die Forschung an Natrium-Ionen-Batterien wieder aufgenommen, vorwiegend motiviert durch die hohe Verfügbarkeit von Natrium sowie sowie durch neue Elektrodenmaterialien. (Slater et al., Adv. Funct. Mater. 2013) Als in dieser Hinsicht besonders attraktiv erweisen sich organische Materialien mit geringem molekularen Gewicht, die die Fähigkeit für eine mehrfache Elektronenübertragung besitzen. Dabei bewegen sich beim Laden und Entladen einer Natrium-Ionen-Batterie Natrium-Ionen in die Elektroden hinein oder aus den Elektroden heraus. Daher muss man genau verstehen, wie sich die Natrium-Ionen in den entsprechen Materialien bewegen um eine Natrium-Ionen-Batterie zu entwickeln. Dieses Projekt mit dem Titel Voll-organische Na-Ionen-Batterie basierend auf konjugierten Carbonylverbindungen hat das ehrgeizige Ziel, genau diese Ionen-Bewegung in organischen Materialien als Elektroden in einer komplett-organischen Natrium-Ionen-Batterie zu untersuchen. Dabei handelt es sich um Materialien, die eine hohe theoretische Kapazität besitzen, billig produziert werden können, nicht toxisch sowie biokompatibel sind. Dabei liegt ein starker Fokus auf der Verwendung von Materialien, die mittels ökologischer Synthese aus Biomasse hergestellt werden können, was wiederum den großen Vorteil bietet, dass die so hergestellten Batterien einfach recycelbar sind. (Tarascon, Nature Materials 2009)

Das abgeschlossene Projekt mit dem Titel: "Voll-organische Na-Ionen-Batterie basierend auf konjugierten Carbonylverbindungen" untersuchte organische Materialien als mögliche Elektroden zur Realisierung einer komplett-organischen Natrium-Ionen Batterie. Der wissenschaftliche Fokus in diesem Projekt lag auf der Untersuchung von organischen n-Halbleiter Elektrodenmaterialien um voll-organische Natrium-Ionen Batterie zu ermöglichen, welche im Idealfall nicht toxisch, sowie biokompatibel sind. Der innovative Aspekt lag dabei vor allem in der Verwendung von organischen n-Halbleiter Materialien sowohl für die Batterieanode, als auch für die Batteriekathode. Geeignete organische n-Halbleiter Materialien für die Verwendung als Kathode sind hinreichend bekannt. Die Herausforderung lag darin, einen entsprechenden organischen n-Halbleiter zu finden der als Anodenmaterial fungieren konnte. Um ein entsprechendes Anodenmaterial finden zu können, ist ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Materialeigenschaften nötig. Wichtige Fragen die es diesbezüglich zu klären gab waren, welche Redox-Reaktionen treten bei der Natrium-Ionen Speicherung auf, welche Reaktionswege finden statt und was sind die grundlegendsten Nebenreaktionen sowie deren Reaktionskinetik? Um diese Fragen beantworten zu können, wurden detaillierte elektrochemische und spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Im Laufe der Untersuchungen konnten sowohl organische n-Halbleiter Materialien identifiziert werden, welche eine besonders gute Natrium-Ionen Speicherkinetik aufweisen, als auch organische n-Halbleiter Materialien, welche eine gute Natrium-Ionen Speicherdichte besitzen. Die wichtigsten Erkenntnisse zu diesen Materialien, speziell im Hinblick auf deren Natrium-Ionen Speicherfähigkeit, wurden in einschlägigen, internationalen, wissenschaftlichen Peer-Review Zeitschriften, öffentlich zugänglich (open access) veröffentlicht. Darüber hinaus ist es gegen Ende des Projektes gelungen, in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus der Theoretischen- und Synthesechemie, die vielversprechendsten Materialien gezielt anzupassen. Durch Kombination von theoretischen Modellen, Synthesechemie und Labor Untersuchungen wurden organische n-Halbleiter Materialien gefunden, welche, durch Modifikation mit funktionellen Gruppen, eine Veränderung des Natrium-Ionen Speicherpotentials aufweisen. Diese Materialien, mit modifizierten funktionellen Gruppen, zeigten stark unterschiedliche Natrium-Ionen Speicherpotentiale, sodass diese entweder als Anode oder Kathode in einer Na-Ionen-Batterie fungieren können. Damit ist letztlich ein entscheidender, wissenschaftlicher Beitrag zur potentiellen Realisierung der visionären, voll-organischen Natrium-Ionen Batterie gelungen.