Incorporare materiali organici nelle batterie agli ioni di litio potrebbe ridurne i costi e renderle più rispettose dell'ambiente, I ricercatori di A*STAR hanno scoperto. Il team ha sviluppato un catodo per batteria a base organica che ha notevolmente migliorato le prestazioni elettrochimiche rispetto ai precedenti materiali per catodo organico. In modo cruciale, il nuovo materiale è anche robusto, rimanendo stabile per migliaia di cicli di carica/scarica della batteria.

Il catodo, l'elettrodo positivo nelle batterie agli ioni di litio, è un componente critico. Un elettrone carente, una molecola organica rigida chiamata esaazatrinaftalene (HATN) è stata precedentemente studiata come materiale catodico organico per batterie agli ioni di litio. Però, le sue promettenti prestazioni iniziali sono diminuite rapidamente durante l'uso, perché la molecola ha iniziato a dissolversi nell'elettrolita liquido della batteria.

Un nuovo materiale catodico, in cui HATN è stato combinato con ossido di grafene nel tentativo di impedire la dissoluzione del materiale organico, è stato ora sviluppato da Yugen Zhang e dai suoi colleghi dell'A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology.

Nell'ossido di grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo è parzialmente ricoperto da uno strato di atomi di ossigeno. "L'ossido di grafene ha un'eccellente conduttività elettronica, e la funzionalità dell'ossigeno superficiale che può formare interazioni di legame idrogeno con HATN, " Dice Zhang. Spiega che questo ha reso l'ossido di grafene un candidato promettente per la formazione di un nanocomposito di ossido di grafene HATN.

Le prestazioni del nanocomposito hanno superato le aspettative. I materiali si sono combinati per formare nanotubi nucleo-guscio in cui l'HATN è stato rivestito con ossido di grafene. "L'ossido di grafene e l'HATN hanno formato una struttura composita molto bella, che ha risolto il problema della dissoluzione di HATN nell'elettrolita e ha conferito al catodo un'ottima stabilità di ciclo, " Dice Zhang. Una batteria agli ioni di litio che utilizza questo materiale come catodo ha mantenuto l'80% della sua capacità dopo 2000 cicli di carica/scarica.

Il team ha visto prestazioni ancora migliori quando ha combinato l'ossido di grafene con un derivato dell'HATN chiamato acido esaazatrinaftalene tricarbossilico (HATNTA). Una batteria realizzata con questo materiale ha mantenuto l'86 per cento della sua capacità dopo 2, 000 cicli di carica/scarica. Il miglioramento delle prestazioni è probabilmente dovuto ai gruppi di acido carbossilico polare sulla molecola HATNTA, che attaccò la molecola ancora più fortemente all'ossido di grafene.

Il team sta continuando a sviluppare nuovi materiali per migliorare le prestazioni dei catodi organici, dice Zhang. Oltre a studiare alternative all'ossido di grafene, il team sta anche lavorando su polimeri porosi a base di HATN da utilizzare come materiali catodici organici, che dovrebbe migliorare il flusso di ioni durante la carica e la scarica della batteria.