A practical perspective on post-lithium-ion organic batteries

Die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und den damit verbundenen kritischen Mineralien hat Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit von Ressourcen und der nachhaltigen Kostenentwicklung aufkommen lassen. Als Folge haben alternative Lösungen wie organische und Natrium-Ionen-Batterien im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung erhebliche Aufmerksamkeit erlangt. Unsere Forschung behandelt die Bedeutung einer kritischen Erkundung dieser Alternativen bereits auf Laborebene und schlägt eine Methodik vor, um ihre praktische Umsetzbarkeit in kommerziellen Batteriesystemen zu bewerten, unter Verwendung einer Kombination aus experimentellen Ergebnissen und Modellierung.
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Wir betonen zunächst die Notwendigkeit einer Kosten- und Leistungsanalyse als grundlegenden Schritt in der Erforschung neuer Batteriematerialien. Es wird betont, wie wichtig es ist, diese Analyse bereits in der Entdeckungsphase der Materialien anzuwenden, um die Forschungsbemühungen auf praktische Lösungen auszurichten. Anhand einer Fallstudie zu Natrium-Ionen-Batterien zeigen wir, wie detaillierte Simulationen der Energiedichte und der Kosten die vielversprechendsten Kathodenmaterialien für reale Anwendungen effektiv identifizieren können.
Im Kontext von organischen Batterien konzentrieren wir uns dann auf n-Typ organische Materialien und bewerten ihre Eigenschaften auf Systemebene der Batterie. Eine umfassende Überprüfung relevanter Kathodenmaterialien wird durchgeführt, gefolgt von einer detaillierten Kosten- und Leistungsanalyse. Die Analyse berücksichtigt wichtige Designentscheidungen der Elektroden und hebt das Potenzial von n-Typ organischen Materialien als kostengünstige und nachhaltige Lösungen für die Energiespeicherung hervor, insbesondere im Fall von lithiumbereicherten, luftstabilen Materialien. Allerdings sind weitere Fortschritte notwendig, um diese Materialien zu optimieren und die Leistungslücke zu anorganischen Kathoden zu schließen.
P-Typ-Materialien für Batterien, die sowohl Kationen als auch Anionen in den Redoxreaktionen umfassen, werden ebenfalls untersucht, jedoch erfordert ihre Bewertung ein detailliertes Verständnis ihres Arbeitsprinzips, da es sich signifikant von Lithium-Ionen- und n-Typ organischen Batterien unterscheidet aufgrund des Verbrauchs des Elektrolytsalzes während des Ladevorgangs. Eine modifizierte Version des Doyle-Fuller-Newman-Modells wird vorgeschlagen, um die Variation der durchschnittlichen Salzkonzentration im Elektrolyten während des Lade- und Entladevorgangs zu simulieren. Das Modell berücksichtigt erfolgreich die einzigartigen Herausforderungen, die mit der Beteiligung von Anionen verbunden sind, und ermöglicht das Design praktischer P-Typ-Batterien (und allgemein von Dual-Ionen-Batterien) mit maximierter Kapazität und Energiedichte.
Abschließend demonstrieren wir die Anwendung dieser umfassenden Methodik anhand von experimentellen Ergebnissen zu Poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylat) (PTMA), einem vielversprechenden p-Typ-organischen Kathodenmaterial. Die laborbasierte Studie zeigt die Machbarkeit von Kathoden mit hoher aktiver Massebeladung und bemerkenswerter theoretischer Flächenkapazität für organische Batterien. Die detaillierten physikalischen Simulationen und die Kosten-Leistungsanalyse beleuchten die kritische Rolle des Elektrolyten und den Einfluss der Anionenbeteiligung am Redoxprozess von PTMA, um solche Batterien mit hoher Massebeladung in einem realistischen Szenario zu ermöglichen.
Zusammenfassend verdeutlichen unsere Ergebnisse die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Herangehensweise, die über die Grenzen von Laborbatterien hinausgeht. Wir betonen die Herausforderungen, die mit der effektiven Umsetzung erfolgreicher experimenteller Ergebnisse in realen Konfigurationen einhergehen. Indem wir diese Herausforderungen erkennen, ebnen wir den Weg für die Entwicklung praktischer und wirtschaftlich machbarer post-Lithium-Ionen-Batterietechnologien. Unsere Studie stellt eine Methodik vor, die in zukünftigen Untersuchungen angepasst und eingesetzt werden kann und bietet einen vielversprechenden Weg zur Realisierung kostengünstiger und tragfähiger Batterielösungen für die Zukunft.

The increasing demand for lithium-ion batteries and the associated critical minerals has raised concerns about resource availability and cost sustainability. As a result, alternative solutions, such as organic and sodium-ion batteries, have gained significant attention in the field of electrochemical energy storage. Our research addresses the importance of critically exploring these alternatives already at the laboratory-scale level, and we propose a methodology to assess their feasibility for practical implementation in commercial-scale battery systems, using a combination of experimental results and modelling.
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We initially highlight the need for cost and performance analysis as a fundamental step in the research for new battery materials. It emphasizes the importance of applying this analysis at the material discovery stage to guide research efforts towards practical solutions. Through a case study on sodium-ion batteries, we demonstrate how detailed simulations of energy density and cost can effectively identify the most promising cathode materials for real-world applications.
In the context of organic batteries, we focus then on n-type organic materials and assesses their properties at the full battery system level. A comprehensive review of relevant cathode materials is provided, followed by a detailed cost and performance analysis. The analysis considers key electrode design choices and highlights the potential of n-type organic materials as low-cost and sustainable solutions for energy storage, especially in the case of lithium-sufficient, air-stable materials. However, further advancements are necessary to optimize these materials and bridge the performance gap with inorganic cathodes.
P-type materials batteries, which involve both cations and anions in the redox reactions, are also explored, but their evaluation requires a detailed understanding of their working principle, since it differs significantly from lithium-ion and n-type organic batteries due to the depletion of the electrolyte salt during the charge process. A modified version of the Doyle-Fuller-Newman model is proposed to simulate the variation of average salt concentration in the electrolyte during charge and discharge. The model successfully accounts for the unique challenges associated with the involvement of anions, enabling the design of practical p-type batteries (and in general of dual-ion batteries) with maximized capacity and energy density.
Finally, we demonstrate an application of this comprehensive methodology using experimental results on poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), a promising p-type organic cathode material. The laboratory-scale study demonstrates the viability of high active mass loading cathodes with remarkable theoretical areal capacities for organic batteries. The detailed physical simulations and cost-performance analysis shed light on the critical role of the electrolyte and the impact of the anion involvement in the redox process of PTMA to enable such high mass loading batteries in a realistic scenario.
In summary, our findings highlight the necessity of embracing a holistic approach that extends beyond the confines of laboratory-scale batteries. We emphasize the challenges inherent in effectively implementing successful experimental results in real-world configurations. By recognizing these challenges, we pave the way for the development of practical and economically feasible post-lithium-ion battery technologies. Our study introduces a methodology that can be adapted and employed in future investigations, providing a promising path towards the realization of cost-effective and viable battery solutions for the future.