Speichermaterial für Lithium-Ionen Verlängertes „Graphen“ für bessere Batterien

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Ein neuartiges 2D-Kohlenstoffnetzwerk soll die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus verbessern. Statt nur aus aneinanderhängenden Kohlenstoffringen wie bei Graphen, sind die einzelnen Ringe in dem so genannten Graphdiin über kurze Ketten miteinander verknüpft. Dadurch ist das neue Material poröser und lässt sich leicht elektronisch anpassen. Dies haben Forscher aus China nun mit ersten Syntheseerfolgen demonstriert.

Peking/China – Das häufigste Anodenmaterial in Lithiumionen-Akkus ist Kohlenstoff. Durch seine Schichtstruktur können Lithiumionen während der Lade-Entlade-Zyklen in die Zwischenräume der Schichten eindringen und wieder heraustreten, sein zweidimensionales hexagonales Kristallgitter leitet sehr gut Strom, und sein stabiles, poröses Netzwerk sorgt für ein effizientes Eindringen des Elektrolyten. Schwierig ist allerdings eine genaue Abstimmung von strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften, da der Fertigungsprozess aus polymeren Kohlenstoffmaterialien nicht sehr zielgenau abläuft.

Alternative zu Graphit

Auf der Suche nach einer Alternative zu den klassischen Graphit-Elektroden testeten Changshui Huang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und seine Kollegen das Hybridmaterial Graphdiin. Es besteht aus hexagonalen Kohlenstoffringen, die jeweils von zwei Acetyleneinheiten (das „Diin“ im Namen) verbrückt werden. So ergibt sich ein zweidimensionales Kohlenstoffnetzwerk mit regelmäßigem Dreiecksmuster (s. Abbildung oben).

Graphdiin wurde bereits als Trennmembran für Isotope oder Helium vorgeschlagen. Aufgrund seiner ausgeprägten elektronischen Eigenschaften und seiner netzartigen Struktur sollte es sich jedoch auch für elektrochemische Anwendungen eignen. Huang und sein Team haben nun die Speicherfähigkeit für Lithium untersucht und die elektrochemischen Eigenschaften von maßgeschneidertem, elektronisch angepassten Graphdiin analysiert.

Modifiziertes Gitter hält tausende Ladezyklen

Für die Synthese des modifizierten Graphdiins trugen die Wissenschaftler molekulare Vorstufen auf eine Kupferfolie auf, wo sich durch Selbstorganisation geordnete geschichtete Nanostrukturen aus Graphdiin bildeten. Funktionelles Graphdiin stellten die Forscher aus Vorstufen her, die funktionelle Gruppen mit interessanten elektronischen Eigenschaften enthielten.

Wurden dabei elektronenziehende Gruppen eingesetzt, verengte sich die Bandlücke von Graphdiin und die Leitfähigkeit erhöhte sich. Besonders effektiv war die Cyanogruppe: Cyanmodifiziertes Graphdiin wies als Anodenmaterial ausgezeichnete Speicherkapazität für Lithium aus und blieb nach Angabe der Autoren Tausende von Lade-Entlade-Zyklen stabil.

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Mögliche Zukunft in Batterien

Wurde das Graphdiin hingegen mit einer sperrigen funktionellen Gruppe (Methylgruppe) ausgestattet, die in das Graphdiinnetzwerk Elektronen hineindrückte, vergrößerte sich offenbar der Abstand der Schichten und das brüchigere Material vertrug nur wenige Lade- und Entladezyklen. Die Autoren verglichen die beiden modifizierten Graphdiinvarianten auch mit einer „leeren“ Version, bei der nur Wasserstoff die Position der funktionellen Gruppen im Netzwerk besetzte.

Mit dem entwickelten Syntheseverfahren für Graphdiin aus modifizierbaren Vorstufen sollen sich nach Ansicht der Autoren zukünftig funktionelle zweidimensionale Architekturen für Batterien, Kondensatoren und andere elektrokatalytische Bauteile fertigen lassen.

Originalpublikation: Chipeng Xie, Xiuli Hu, Dr. Zhaoyong Guan, Xiaodong Li, Fuhua Zhao, Yuwei Song, Yuan Li, Prof. Xiaofang Li, Prof. Ning Wang, Prof. Changshui Huang: Tuning the Properties of Graphdiyne by Introducing Electron‐Withdrawing/Donating Groups, Angewandte Chemie, 06 May 2020; DOI: 10.1002/ange.202004454

* Dr. K. J. Schmitz, GDCh – Gesellschaft Deutscher Chemiker, 60486 Frankfurt am Main

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