Benzotriazinylradikalhaltige Polymere als bipolares aktives Elektrodenmaterial in organischen Sekundärbatterien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein vernetztes, benzotriazinylradikalhaltiges Polymer wurde erfolgreich synthetisiert und als Elektrodenmaterial für organische Radikalbatterien eingesetzt. Die Synthese erfolgte über ein alkinfunktionalisiertes Benzotriazinylradikal, welches erfolgreich in kupferkatalysierten Alkin-Azid-Clickreaktionen, Glaser-Homokupplungen und Sonogashira-Kreuzkupplungen eingesetzt werden konnte. Darüber hinaus wurde eine Norbornengruppe in das Benzotriazinylradikal eingeführt und mittels Ringöffnungsmetathesepolymerisierung polymerisiert werden, um ein radikalhaltiges Polymer zu erhalten. Bezüglich des Einsatzes in organischen Dünnschichtbatterien wurden verschiedene Elektrolytsalze untersucht, wobei Pyr1,4TFSI die beste Gesamtleistung zeigte, während LiTFSI nur bei der Oxidationsreaktion des Radikals gut abschnitt und die Reduktion zum Anion unterdrückte. In Knopfzellenexperimenten wurden hohe Lade- und Entladeströme von bis zu 60C (Laden/Entladen innerhalb einer Minute) erreicht, was auf eine schnelle Redoxkinetik und Ladungsübertragung des Radikals hindeutet. Die Strombelastbarkeit ist vergleichbar mit ähnlichen, dem Stand der Technik entsprechenden PTMA-Elektroden. Langzeitexperimente unterstrichen die hohe Stabilität des Polymers, das nach 5000 Zyklen einen Kapazitätserhalt von 56% erreichte. Sowohl die Experimente zur Strombelastbarkeit als auch die Langzeitexperimente wurden mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen des aktiven Materials in den Elektroden durchgeführt. Die Ergebnisse demonstrierten, dass die Leistung unabhängig von den verwendeten Polymeranteilen ist, weshalb auch Elektroden mit hohen Polymeranteilen möglich sind. Sowohl LiTFSI als auch Pyr1,4TFSI zeigten ähnliche Ergebnisse in Langzeit- und Strombelastbarkeitstests, was die Verwendung von metallfreien organischen Elektrolytlösungen ermöglicht. Der Einsatz des Polymers als bipolares Aktivmaterial war, entgegen vielversprechender erster Vortests, bisher nicht erfolgreich, da anscheinend die Reduktion des Benzotriazinylradikals in der Batterie unter den untersuchten Bedingungen nicht zugänglich war. Alles in allem erwies sich das Polymer als vielversprechendes Kathodenmaterial mit Schnellladefähigkeit und hoher Langzeitstabilität. Um die Leistung des Materials weiter zu verbessern, müssen Bedingungen gefunden werden, die die Reaktion in Richtung der reduzierten Form des Radikals stabilisieren. Eine weitere Untersuchung von Elektrolytlösungsmitteln und -salzen sowie eine Anpassung der Radikalstruktur sind mögliche Ansätze, um dem Ziel der vollorganischen, „polfreien“ Batterie näher zu kommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Polymeric Blatter's radical via CuAAC and ROMP“, Macromol. Chem. Phys. 2021, 222, 2100194
A. Saal, C. Friebe, U. S. Schubert
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„Blatter radical as a polymeric active material in organic batteries“, J. Power Sources 2022, 524, 231061
A. Saal, C. Friebe, U. S. Schubert
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„Structural improvement of the Blatter radical for high-current organic batteries“, ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 15109-15028
A. Saal, L. Elbinger, K. Schreyer, X. Fataj, C. Friebe, U. S. Schubert
