[論文レビュー] A salt water battery with high stability and charging rates made from solution processed conjugated polymers with polar side chains

Davide Moia, Alexander Giovannitti+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Advanced Battery Materials and Technologies参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、極性を有する側鎖を有する溶液プロセシング可能な共鳴性ポリマーをカソードおよびアノード材料として用いた水系電池を提案する。エチレングリコールとジアミン性側鎖を導入することにより、ポリマーは迅速なイオン移動と高い電子的伝導性を実現し、1000サイクル以上で30%未満の容量低下を示す安定したサイクリング（>1000サイクル、<30%容量低下）と、1000 Cレートを超える顕著な充電速度を達成し、1.4 Vの出力電圧を発生する。

ABSTRACT

We report a neutral salt water based battery which uses p-type and n-type solution processed polymer films as the cathode and the anode of the cell. The specific capacity of the electrodes (approximately 30 mAh cm-3) is achieved via formation of bipolarons in both the p-type and n-type polymers. By engineering ethylene glycol and zwitterion based side chains attached to the polymer backbone we facilitate rapid ion transport through the non-porous polymer films. This, combined with efficient transport of electronic charge via the conjugated polymer backbones, allowed the films to maintain constant capacity at high charge and discharge rates (&gt;1000 C-rate). The electrodes also show good stability during electrochemical cycling (less than 30% decrease in capacity over &gt;1000 cycles) and an output voltage up to 1.4 V. The performance of these semiconducting polymers with polar side-chains demonstrates the potential of this material class for fast-charging, water based electrochemical energy storage devices.

研究の動機と目的

• リチウムイオン電池に代わる、豊富で非毒性な材料を用いた持続可能な水系電池の開発。
• 共鳴性ポリマー電極におけるイオン移動の遅さという課題に取り組み、充電速度を制限する要因を克服すること。
• 水系電池における不安定性の問題を、電気化学的耐久性が向上したポリマー膜の設計によって解決すること。
• 溶液処理可能な材料を用いて中性塩水電解質で高レート性能を達成すること。
• 完全に水系で低コストな電池システムにおいて、長期的なサイクリング安定性と高い電圧出力を実証すること。

提案手法

• イオン移動を向上させるために、エチレングリコールおよびジアミン性側鎖を有するp型およびn型共鳴性ポリマーを合成し、非多孔質膜内でのイオン移動を促進する。
• スピンコーティングなどの溶液処理技術を用いて、両電極用の薄く均一なポリマー膜を形成する。
• 極性側鎖を設計することで、多孔質を必要とせず、ポリマー内でのNa+およびOH-イオンの迅速な移動を可能にする。
• 共鳴性骨格を活用して効率的な電子的電荷移動を実現し、高い電流密度を達成する。
• 中性NaCl水性電解質中で、これらのポリマー電極を用いたフルセル電池を構築する。
• ガルバノスタティック充放電サイクリング、サイクルボルタメトリー、インピーダンス分光法を用いて電気化学的性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性側鎖を有する共鳴性ポリマーは、溶液処理可能な非多孔質膜内でも、水系電池において迅速なイオン移動を可能にするか？
• RQ2 これらの設計されたポリマーを用いた水系電池で達成可能な最大の充電速度は何か？
• RQ3 中性水性電解質中で、長期間の電気化学的サイクリングにおいて、電極材料の安定性はいかほどか？
• RQ4 バイポラロン形成と極性側鎖の組み合わせによって、高い比容量および高い電圧出力を得られるか？
• RQ5 側鎖の化学的性質およびポリマー構造は、レート性能およびサイクル安定性にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• p型およびn型材料の両方でバイポラロン形成により、比容量が約30 mAh cm⁻³に達した。
• 1000 Cレートを超える充電・放電レートにおいても、容量が一定を保ち、顕著なレート能力を示した。
• 電極は長期的な安定性を示し、1000サイクルを超えても30%未満の容量低下にとどまった。
• フルセルは中性塩水（NaCl）電解質中で、最大1.4 Vの安定した出力電圧を発生した。
• 極性側鎖（エチレングリコールおよびジアミン性基）により、多孔質を必要としないポリマー膜内での迅速なイオン移動が可能になり、ポリマー系電池における主要な制限要因を克服した。
• 溶液処理可能な共鳴性ポリマーと設計された側鎖の組み合わせにより、多孔質構造や複雑な構造を必要とせず、高性能を実現した。