Onthulling van de intermoleculaire mechanismen achter OEM -oplossing in organische batterijen

Een nieuwe studie heeft significante inzichten aangetoond in de intermoleculaire mechanismen die betrokken zijn bij het oplossen van organische elektrodenmaterialen (OEM’s) in elektrolyten tijdens batterijcyclingtests.

Gezamenlijk onder leiding van professor Won-Jin Kwak van de afdeling Werktuigbouwkunde aan UniSt en professor Joonmyung Choi van de Hanyang University, toont dit onderzoek de sterke kation-oplosbare interactie-energie binnen de elektrolyt aan in de versnelde oplossing van OEM’s. Het werk is gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

Organische batterijen vertegenwoordigen de volgende generatie van secundaire batterijen, ter vervanging van traditionele metaalelektroden, zoals lithium en nikkel, door kosteneffectieve organische materialen die continu kunnen worden vervaardigd in industriële omgevingen.

De korte levensduur van deze batterijen blijft echter een aanzienlijke barrière voor commercialisering, voornamelijk vanwege de ernstige oplossing van OEM’s in de elektrolyt. Hoewel verschillende studies hebben geprobeerd deze kwestie aan te pakken, moeten de onderliggende oorzaken van ontbinding nog duidelijk worden geïdentificeerd.

Het onderzoek geeft aan dat sterke interacties tussen kation-oplosmiddel co-intercalatie bevorderen-een proces waarbij oplosmiddelmoleculen worden opgenomen samen met kationen in de microstructuur van de elektrode. Wanneer kationen de interne structuur van de elektrode binnendringen, zorgt de betrokkenheid van oplosmiddelmoleculen ervoor dat deze uitzet, waardoor het elektrodenmateriaal gemakkelijker kan stromen. Zwakke interacties daarentegen vergemakkelijken de eenvoudige insertie van kationen zonder betrokkenheid van oplosmiddelen.

Het onderzoeksteam kwam tot deze conclusies door systematisch experimentele resultaten te onderzoeken en te analyseren met verschillende kationtypen, en de interactie -energie tussen kationen en oplosmiddelen te berekenen. Hun experimenten, waarbij lithium-, natrium- en kaliumionen betrokken waren, onthulden dat lithiumionen de meest uitgesproken interacties produceerden met oplosmiddelmoleculen, wat resulteerde in dunnere elektroden met hogere interactie -energieën.

Hyun-wook Lee, de eerste auteur van de studie, zei: “Hoewel eerder onderzoek naar organische elektroden zich voornamelijk concentreerde op herstructureringsmaterialen om ontbinding te bestrijden, werpen onze bevindingen licht op de grondoorzaken.”

Professor Kwak voegde eraan toe: “Deze studie is de eerste die aantoont dat het oplossen van elektrodematerialen niet alleen een kwestie van oplosbaarheid is, maar eerder een functie van kation-oplosmiddelinteracties en daaruit voortvloeiende mechanistische veranderingen. We presenteren ook een gerichte elektrolytontwerpstrategie.”