Scientists from UCLouvain and DIFFER have discovered new organic electrode materials for Li-ion batteries using advanced molecular design. The new materials offer promising opportunities to customize the redox properties of organic electrodes, bridging the gap with their inorganic counterparts in sustainable and eco-friendly electrochemical energy storage devices. The study brings sustainable solutions for future energy storage one step closer.
* Dutch follows English
The availability of stable organic positive electrodes capable of operating at high voltages and in ambient conditions has been restricted. In this study, researchers demonstrate a highly effective method for adjusting the working potential of organic electrode materials for batteries. These materials are based on functionalized phenylenediamines with the trifluoromethanesulfonyl and cyano groups, giving rise to seven different lithium-containing triflimides and cyanamides compositions. In other words; the researchers studied several molecules that can reversibly store lithium atoms.
The newly developed materials show excellent ambient stability and high-redox potential, expanding the landscape of n-type organic Li-ion positive electrode materials. The triflimides, in particular, exhibit an unprecedented high redox potential of 3.8 V vs. Li+/Li, the highest among n-type organic positive electrode materials reported so far.
LEGO pieces
Two important properties in this ‘race’ for finding new compounds are high redox potential (high-voltage) and high stability (both ambient and electrochemical). Süleyman Er, Group Leader of Autonomous Energy Materials Discovery at DIFFER: “These new materials need to be chemically functional, composed of abundant chemical elements, easily synthesizable, and structurally tunable so that you can change their properties by altering their chemical composition. You can compare them with LEGO pieces; you can combine the abundant elements such as C, H, O, N, F and S, in various ways to create new compounds and to tune the desired functionality of these compounds such as for efficient energy storage. Then perform comprehensive modelling, structural, and electrochemical analyses to determine how they perform as battery materials.”
Sustainable energy storage solutions
As the urgency to address climate change escalates, the need for sustainable energy storage solutions is paramount importance, particularly for integrating renewable energy sources into power grids. Traditional lithium-ion batteries, while instrumental in this energy transition, face challenges including resource scarcity and environmental concerns due to their metal components. Organic electrode materials have emerged as promising alternatives, offering advantages such as sustainability, cost-efficiency, and design flexibility.
These groundbreaking findings not only advance the field of organic electrode materials, they also reduce the 'performance gap' between organic and inorganic alternatives. And thus they offer new avenues to explore for the development of sustainable and more efficient energy storage systems.
This study is a collaborative effort between the research groups led by Alexandru Vlad at UCLouvain and Süleyman Er at DIFFER, with Xuan Zhou, a postdoctoral researcher at DIFFER, conducting the computations. Read more in this research article from Energy & Environmental Science: https://doi.org/10.1039/D3EE02897F.
Author: Rianne van Hoek
Baanbrekende bevindingen in onderzoek naar organische elektrodes voor duurzame energieopslag
Wetenschappers van KU Leuven en DIFFER brengen duurzame oplossingen voor energieopslag in de toekomst een stap dichterbij. Zij hebben met behulp van geavanceerd moleculair ontwerp nieuwe organische elektrodematerialen voor Li-ion batterijen ontdekt. De nieuwe materialen bieden veelbelovende mogelijkheden om de redox-eigenschappen van organische elektroden aan te passen. Ze overbruggen zo de kloof met anorganische tegenhangers in duurzame en milieuvriendelijke elektrochemische energieopslagapparaten.
De beschikbaarheid van stabiele, positieve organische elektroden die kunnen werken bij hoge spanningen en in omgevingscondities is beperkt. In dit onderzoek tonen onderzoekers een zeer effectieve methode om het werkpotentieel van organische elektrodematerialen voor batterijen aan te passen. Deze materialen zijn gebaseerd op gefunctionaliseerde fenyleendiaminen met trifluormethanesulfonyl- en cyanogroepen. Hierdoor zijn zeven verschillende lithiumhoudende triflimiden- en cyanamidesamenstellingen ontstaan. Met andere woorden: de onderzoekers bestudeerden verschillende moleculen die lithiumatomen reversibel kunnen opslaan.
De nieuw ontwikkelde materialen vertonen een uitstekende omgevingsstabiliteit en een hoog redoxpotentieel, waardoor het landschap van n-type organische positieve Li-ion elektrodematerialen wordt uitgebreid. Met name de triflimiden vertonen een ongekend hoog redoxpotentiaal van 3,8 V vs. Li+/Li, het hoogste onder de tot nu toe gerapporteerde n-type organische positieve elektrodematerialen.
Stukjes LEGO
Twee belangrijke eigenschappen in deze 'race' voor het vinden van nieuwe verbindingen zijn een hoog redoxpotentiaal (hoge spanning) en een hoge stabiliteit (zowel qua omgeving als elektrochemisch). Süleyman Er, groepsleider Autonomous Energy Materials Discovery bij DIFFER: "Deze nieuwe materialen moeten chemisch functioneel zijn, samengesteld uit overvloedige chemische elementen, gemakkelijk te synthetiseren en structureel aanpasbaar. Dit is nodig, zodat je de eigenschappen kunt veranderen door het veranderen van hun chemische samenstelling. Vergelijk het met LEGO-stukjes; je kunt (rijkelijk aanwezige) elementen als C, H, O, N, F en S op verschillende manieren combineren. Zo kun je nieuwe verbindingen maken en de gewenste functionaliteit van deze verbindingen instellen, bijvoorbeeld voor efficiënte energieopslag. Voer vervolgens uitgebreide modellering en structurele en elektrochemische analyses uit om te bepalen hoe ze presteren als batterijmateriaal."
Duurzame oplossingen voor energieopslag
Nu de klimaatverandering steeds urgenter wordt, is de behoefte aan duurzame oplossingen voor energieopslag van groot belang, met name voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen in elektriciteitsnetten. Traditionele lithium-ionbatterijen spelen een belangrijke rol in deze energietransitie, maar hebben te kampen met uitdagingen als grondstoffenschaarste en milieuproblemen vanwege hun metalen onderdelen. Organische elektrodematerialen zijn veelbelovende alternatieven die talrijke voordelen bieden, zoals duurzaamheid, kostenefficiëntie en ontwerpflexibiliteit.
Deze baanbrekende bevindingen helpen niet alleen het gebied van organische elektrodematerialen vooruit. De resultaten verkleinen ook de 'prestatiekloof' tussen organische en anorganische alternatieven. En bieden zo nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzamere en efficiëntere energieopslagsystemen.
Dit onderzoek is een samenwerking tussen onderzoeksgroepen onder leiding van Alexandru Vlad (KU Leuven) en Süleyman Er (DIFFER), waarbij Xuan Zhou (postdoc bij DIFFER) de berekeningen uitvoerde. Je leest er meer over in dit artikel van Energy & Environmental Science: https://doi.org/10.1039/D3EE02897F.
Auteur: Rianne van Hoek
Go to the News page.