Redox-active Ionic-Electronic Conducting Polymers for Batteries

Abstract

[EN] High demand for consumer electronics combined with the need to substitute fossil fuels and migrate to a cleaner energy matrix make imperative the research for sustainable and efficient energy storage systems. Nowadays the most promising solutions are related to rechargeable lithium batteries, even though the usage of inorganic materials as electrodes is also not so good for the environment. The development of all organic batteries seems to be a better option when sustainability is considered. The stability and capacity of these materials as electrodes is still low compared to the lithium ion batteries, what makes the need for extensive research to be conduct in order to be possible to replace in the future the current inorganic batteries used nowadays.

The aim of this work was to investigate the performance of a new redox ionic electronic conducting polymer that is composed by well-known electronic conducting polymer (PEDOT), and a redox-active polyelectrolyte (PDADMA AQ). PEDOT has been extensively studied due to its high conductivity and applied in energy storage systems as binder and electrode material. Recently, a series of organic mixed electronic-ionic conductors (OMEIC) composed by PEDOT:PDADMA have been reported with inactive anions. In this work, we include redox active functionality in the polymer blends by incorporating an anthraquinone-sulfonate moiety as the counter anion. PEDOT:PDADMA AQ polymers were synthetized in different molar proportions and characterized using techniques like Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), thermo-gravimetric analysis (TGA), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and 4 point probe. The electrochemical properties of the polymers were investigated by cyclic voltammetry (CV) in different electrolytes and finally, they were applied as cathode electrodes in lithium half cells, where galvanostatic charge/discharge tests and CVs were performed. The results of all these analyses confirm the ionic and electronic conducting properties, as well as the redox activity of the AQ moiety in the polymer blend. However, it was observed that the redox active molecule tend to elute to the electrolyte, indicating the need for further studies to avoid this elution and improve the capacity of the polymers.

[ES] La alta demanda de productos electrónicos de consumo combinada con la necesidad de sustituir los combustibles fósiles y migrar a una matriz energética más limpia hacen imperativa la investigación de sistemas de almacenamiento de energía sostenibles y eficientes. Hoy en día, las soluciones más prometedoras están relacionadas con las baterías de litio recargables, aunque el uso de materiales inorgánicos como electrodos tampoco es tan bueno para el medio ambiente. El desarrollo de todas las baterías orgánicas parece ser una mejor opción cuando se considera la sostenibilidad. La estabilidad y capacidad de estos materiales como electrodos sigue siendo baja en comparación con las baterías de iones de litio, lo que hace que sea necesario realizar una investigación exhaustiva para poder reemplazar en el futuro las baterías inorgánicas actuales que se utilizan en la actualidad.

El objetivo de este trabajo fue investigar el rendimiento de un nuevo polímero conductor electrónico iónico redox que está compuesto por un polímero conductor electrónico conocido (PEDOT) y un polielectrolito activo redox (PDADMA AQ). PEDOT ha sido ampliamente estudiado debido a su alta conductividad y se ha aplicado en sistemas de almacenamiento de energía como material aglutinante y electrodo. Recientemente, se ha informado de una serie de conductores iónicos electrónicos mixtos orgánicos (OMEIC) compuestos por PEDOT: PDADMA con aniones inactivos. En este trabajo, incluimos la funcionalidad activa redox en las mezclas de polímeros mediante la incorporación de un resto antraquinona-sulfonato como contra anión. PEDOT: Los polímeros PDADMA AQ se sintetizaron en diferentes proporciones molares y se caracterizaron mediante técnicas como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), el análisis termogravimétrico (TGA), la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y la sonda de 4 puntos. Las propiedades electroquímicas de los polímeros se investigaron mediante voltamperometría cíclica (CV) en diferentes electrolitos y finalmente, se aplicaron como electrodos catódicos en semiceldas de litio, donde se realizaron pruebas de carga / descarga galvanostática y CV. Los resultados de todos estos análisis confirman las propiedades conductoras iónicas y electrónicas, así como la actividad redox del resto AQ en la mezcla de polímeros. Sin embargo, se observó que la molécula activa redox tiende a eluir al electrolito, lo que indica la necesidad de realizar más estudios para evitar esta elución y mejorar la capacidad de los polímeros.