Forscher verbessern die Löslichkeit von Redoxmolekülen für verbesserte Energiespeichersysteme

1. Juni 2023

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von GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)

Dominante Batterietechnologien, die brennbare, giftige, nicht nachhaltige und teure Energiequellen nutzen, tragen maßgeblich zum Klimawandel bei. Der Umstieg von fossilen Brennstoffen auf sauberere und umweltfreundliche Energiequellen ist daher von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen des Klimawandels einzudämmen. Dieser Übergang kann durch die Verbesserung der Effizienz von Energiespeichersystemen für einen sichereren und stabileren Betrieb, Nachhaltigkeit und eine hohe Energie-/Leistungsdichte unterstützt werden.

Die Forschung auf diesem Gebiet konzentrierte sich auf molekulartechnische Ansätze zur Entwicklung wasserbasierter redoxverstärkter elektrochemischer Kondensatoren (Redox-ECs). Redox-ECs sind eine Art fortschrittlicher hybrider elektrischer Doppelschichtkondensatoren, die redoxaktive Moleküle an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt nutzen, um die Energiedichte zu erhöhen.

Aufgrund der Verwendung organischer redoxaktiver Elektrolyte bieten sie bekanntermaßen Kostenvorteile, die Verwendung von in der Erde vorkommenden Elementen und eine strukturelle Abstimmbarkeit. Eine große Herausforderung bei ihrer Entwicklung ist jedoch die mangelnde Löslichkeit dieser Spezies in wässrigen Systemen, was zu einer geringen Energiedichte führt. Darüber hinaus haben sich frühere Versuche zur Verbesserung ihrer Löslichkeit als zeitaufwändig und kostenintensiv erwiesen.

Jetzt haben Forscher aus Korea den hydrotrop unterstützenden Elektrolyten (HSE) als Ansatz zur Verbesserung der Löslichkeit der organischen redoxaktiven Spezies eingesetzt. Die von Assistenzprofessor Seung Joon Yoo und Professor Sukwon Hong vom Gwangju-Institut für Wissenschaft und Technologie in Korea geleitete Studie wurde in ACS Energy Letters veröffentlicht.

Die Forscher nutzten den Prozess der Hydrotropie, bei dem eine Klasse amphiphiler Moleküle zum Einsatz kommt. Bei diesem einzigartigen Solubilisierungsphänomen ist das Volumen der hydrophoben Komponente im Vergleich zu dem des Tensids relativ klein, was eine um ein Vielfaches höhere Löslichkeit des schwer löslichen gelösten Stoffes ermöglicht. Die Forscher testeten eine Reihe von Chinonen als Modellspezies aufgrund ihrer Eignung als redoxaktives Additiv und einer akzeptablen elektrochemischen Stabilität.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung von HSE (p-Toluolsulfonsäure (p-TsOH), 2-Naphthalinsulfonsäure (2-NpOH) und Anthrachinon-2-sulfonsäure (AQS)) die Löslichkeit von Hydrochinon (HQ) ohne jegliche Verbesserung verbesserte chemische Funktionalisierung. Wichtig ist, dass sie zeigten, dass ein Anstieg der Löslichkeit proportional zur Konzentration der jeweiligen HSE ist.

Darüber hinaus entwickelten sie ein Biredoxsalz, 2-[N,N,N-tris(2-hydroxyethyl)]anthracenemethanaminum-9,10-dionbromid (AQM-Br), das sowohl positiv als auch negativ an Faradayschen Reaktionen teilnehmen könnte Elektroden untersucht und konzentrationsabhängig im HSE-System getestet. Dr. Yoo betont: „Die Löslichkeit von HQ in HSE wurde um das Siebenfache erhöht, und es wurde eine Designer-multifunktionale Dual-Redox-Spezies (AQM-Br) synthetisiert, deren Löslichkeit deutlich von kaum löslich auf >1 M erhöht wurde.“ Optimierung der HSE.“

Darüber hinaus versuchten die Forscher auch, die Wirkung der Solubilisierung sowohl für den HQ- als auch für den AQM-Br-Elektrolyten zu verstehen. Mithilfe des intermolekularen nuklearen Overhauser-Effekts und dynamischer Lichtstreuungsanalysen stellten sie fest, dass die hydrotrope Solubilisierung für HQ/HSE durch den Co-Solubilisierungsmechanismus erreicht wurde, während sie für AQM-Br/HSE auf die Bildung von Quasi-Micellen-Nanostrukturen zurückzuführen war .

Prof. Yoo erklärt die möglichen Auswirkungen der Studie und kommt zu dem Schluss: „Unser einfacher Ansatz kann problemlos auf eine andere Klasse von Redoxspezies ausgeweitet werden und auf eine Vielzahl von Anwendungen anwendbar sein, einschließlich Redox-Flow-Batterien.“ Darüber hinaus bietet unsere Studie Folgendes eine Richtlinie für die Gestaltung energiedichter redoxaktiver Elektrolyte und eine optimale Auswahl von HSE- und redoxaktiven Elektrolytpaaren.“

Mehr Informationen: Jinhwan Byeon et al., Solubility-Enhancing Hydrotrope Electrolyte with Tailor-Made Organic Redox-Active Species for Redox-Enhanced Electrochemical Capacitors, ACS Energy Letters (2023). DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00254