Chinese onderzoekers hebben de prestaties van natriumionbatterijen aanzienlijk verbeterd door hydrogelelektrolyten te methyleren, waardoor hun zoutabsorptie en stabiliteit toenemen. Deze vooruitgang verbetert niet alleen de efficiëntie van deze milieuvriendelijke batterijen, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van hydrogels in een verscheidenheid aan technologieën.
Flexibele waterbatterijen die gewoonlijk in draagbare elektronische apparaten worden gebruikt, bevatten doorgaans een hydrogelelektrolyt die bestaat uit water en zout. Een Chinees onderzoeksteam heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de zoutstabiliteit van hydrogels in natriumionbatterijen. Ze methyleerden het structurele polymeer van de hydrogel, waardoor uitzouten werd voorkomen, waardoor de capaciteit van de batterij en de fietsprestaties werden verbeterd.
Hun onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift AngewandteChemie.
Natriumionbatterijen zijn een veelbelovend alternatief voor lithiumionbatterijen omdat ze goedkopere en milieuvriendelijkere materialen bevatten dan lithiumionbatterijen. Nieuwe batterijen vereisen echter de ontwikkeling van veel nieuwe componenten, die allemaal moeten worden aangepast aan natriumionen. Een van de meest basale componenten is de elektrolyt, die vaak de vorm aanneemt van een hydrogel in dunne, flexibele batterijen. Deze flexibele waterhoudende materialen absorberen opgeloste natriumzouten en geleiden ionen.
Hoewel hydrogels geschikt zijn, is een onopgelost probleem het optreden van fasescheiding en uitzouting bij de hoge zoutconcentraties die nodig zijn voor een breed elektrochemisch stabiliteitsvenster. Cui Guanglei en collega's van het Qingdao Institute of Energy, Chinese Academie van Wetenschappen, hebben nu met succes de hydrogels van natriumionbatterijen verbeterd, zodat ze stabieler en veilig meer zout kunnen opnemen.
Om dit te bereiken gebruikten ze een techniek die ook in de natuur wordt gebruikt om de water-zoutbinding van grote biologische macromoleculen te reguleren: methylatie. Bij eiwitten veroorzaakt methylering het "afdekken" van amine- en amidegroepen, waardoor de toegankelijkheid van watermoleculen voor verknopingen en oplosbaarheid van zoutionen binnen de eiwitstructuur wordt verminderd.
Omdat de in hydrogels gebruikte polyamidepolymeren ook amidegroepen bevatten, kan hun uitgebreide verknoping door watermoleculen leiden tot uitzouting en dus tot ontleding van de elektrolyten. Met dit in gedachten vergeleek het team hydrogels gemaakt van gewone polyamiden met die gemaakt van polyamiden die gemethyleerde amidegroepen bevatten. Deze laatste neemt aanzienlijk meer zout op dan de originele variant. De hydrogel-elektrolyt blijft transparant en stabiel, zelfs wanneer de zoutconcentraties recordhoogten bereiken.
Een hoger zoutgehalte betekent dat het elektrochemisch beschikbare spanningsbereik van de accu kan worden vergroot. Bovendien observeerde het team geen tekenen van het uiteenvallen van de elektroden, was de cyclusstabiliteit beter en had de geassembleerde batterij een grotere capaciteit dan zijn niet-gemethyleerde tegenhanger. In dit systeem kan zelfs goedkope aluminiumfolie als stroomafnemer worden gebruikt.
De auteurs suggereren dat eenvoudige polyamidemethylering ook zou kunnen worden gebruikt in andere technologieën, zoals de ontwikkeling van geneesmiddelen, om hydrogels zouttoleranter en dus stabieler te maken.