Quadratsäureamide als neuartiges Elektrodenmaterial
- Neues aus der Fakultät 2023
Um Energie speichern zu können sind redox-aktive Materialien von enormer Wichtigkeit. Häufig wird für Batterietechnologien noch auf Materialien aus Metallen wie Cobalt oder Nickel zurückgegriffen. Diese sind als Ressourcen jedoch limitiert verfügbar, vergleichsweise teuer und nicht nachhaltig. Als Alternative zu den genannten metallhaltigen Kathodenmaterialien sind rein organische Verbindungen höchst interessant. Auf dem Gebiet solcher redox-aktiven, organischen Polymeren hat sich PTMA (eine polymerisierte Form des stabilen Radikals TEMPO) etabliert. PTMA zeichnet sich sowohl durch sein hohes Redoxpotential, als auch durch die hohe Stabilität der Radikal-Oxidationsstufe aus.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Max Hansmann konnte in Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Patrick Théato vom KIT in Karlsruhe und Dr. Dominic Bresser vom Helmholtz-Institut in Ulm erstmalig zeigen, dass Polymerketten von Quadratsäureamiden eine Alternative zu dem bereits gut erforschtem PTMA darstellt. Diese lassen sich in großer Vielfalt synthetisieren und sind in der Lage elektrochemisch reversibel ein bis zwei Elektronenübergänge einzugehen. Die Stabilität der Oxidationsstufen ist stark von der Struktur der Moleküle abhängig. Es stellte sich heraus, dass die Stabilität der eigentlich eher instabilen Quadratsäureamid-Radikale durch Einbettung in ein Chinoxalin Heterozyklus deutlich erhöht werden kann. Diese neuen SQX (Squaric Acid Quinoxaline) Radikale sind mehrere Wochen im oxidierten Zustand stabil und sind des Weiteren luft- und wasserstabil. Solche Quadratsäureamide können ohne nennenswerten Kapazitätsverlust über 100 Zyklen geladen und entladen werden. Durch die Einführung von polymerisierbaren Gruppen war es möglich das SQX Redoxsystem zu polymerisieren und als polymeres Material in eine Batterie mit einer Lithium Anode zu verarbeiten. Die Performance dieser Batterie kann sich durchaus mit den bereits etablierten Kathoden Materialien sowie PTMA messen.
Die Finanzierung des Projekts erfolgte über das Schwerpunktprogramm SPP – 2248 „Polymer-basierte Batterien“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft.