Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes

Auf der Suche nach sichereren und effizienteren Batterien haben Wissenschaftler schon lange über die flüssigen Elektrolyte hinausgeschaut, die heutige Geräte antreiben. Während Flüssigkeiten gut funktionieren, bergen sie Risiken wie Auslaufen, Verdampfen und Entflammbarkeit. Dies hat eine Verschiebung hin zu festen Polymerelektrolyten vorangetrieben, bei denen es sich um flexible Kunststofffolien handelt, die Elektrizität leiten können, ohne die Gefahren einer Flüssigkeit in sich zu tragen. Das am häufigsten verwendete Material für diese Folien ist ein Polymer namens Polyethylenoxid. Dieses Material hat jedoch eine hartnäckige Schwäche: Es ist bei Raumtemperatur zu steif und starr, was es den Ionen – den winzigen geladenen Teilchen, die Energie transportieren – erschwert, sich schnell hindurchzubewegen. Um dies zu beheben, versuchen Forscher oft, den Kunststoff weicher zu machen oder Substanzen hinzuzufügen, die den Ionen helfen, leichter zu gleiten, aber die richtige Zusatzsubstanz zu finden, die sowohl effektiv als auch umweltfreundlich ist, bleibt eine bedeutende Herausforderung.

Ein Forschungsteam aus Malaysia hat einen frischen Ansatz zur Lösung dieses Problems gewählt, indem es sich auf der Suche nach einer Lösung an die Natur wandte. Sie untersuchten eine spezifische Art von Mischung, die als tief eutektisches Lösungsmittel bekannt ist und durch die Kombination zweier häufig vorkommender, natürlich vorkommender Verbindungen entsteht: Thymol, das in Thymian vorkommt, und Menthol, der kühlende Bestandteil von Minze. Wenn diese in bestimmten Proportionen gemischt werden, schmelzen diese beiden Feststoffe zusammen und bilden bei Raumtemperatur eine klare, stabile Flüssigkeit, die sich wie ein Lösungsmittel verhält, jedoch ohne die Toxizität herkömmlicher Chemikalien. Die Forscher wollten herausfinden, ob diese grüne Flüssigkeit als Zusatzstoff verwendet werden konnte, um die steifen Polyethylenoxid-Folien aufzuweichen und deren Fähigkeit zur Stromleitung zu steigen.

Das Team begann damit, mehrere Versionen dieser Thymol-Menthol-Flüssigkeit herzustellen, wobei verschiedene Verhältnisse der beiden Inhaltsstoffe getestet wurden, um die stabilste Form zu finden. Sie maßen physikalische Eigenschaften wie Dichte und Oberflächenspannung, um zu verstehen, wie die Moleküle miteinander interagieren. Sie fanden heraus, dass eine Mischung aus vier Teilen Menthol zu einem Teil Thymol eine Flüssigkeit mit der niedrigsten Dichte und Oberflächenspannung erzeugte, was auf eine sehr organisierte und fluide Molekularstruktur hindeutet. Bevor sie diese Flüssigkeit zum Batteriematerial hinzufügten, bestätigten sie, dass das Polyethylenoxid in sie hineinlöslich war, wobei es aufquoll und sich in ein transluzentes Gel verwandelte, was darauf hindeutete, dass die beiden Substanzen kompatibel und bereit waren, kombiniert zu werden.

Als Nächstes mischten die Forscher die flüssige Zusatzsubstanz in das Polyethylenoxid, um eine neue feste Folie zu erzeugen. Um zu verstehen, was auf molekularer Ebene geschah, verwendeten sie eine Technik namens Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, die wie ein Fingerabdruckscanner für Chemikalien wirkt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Hydroxylgruppen des Thymols und des Menthols starke Bindungen mit den Sauerstoffatomen der Polymerketten eingingen. Diese Wechselwirkung war entscheidend, da sie bedeutete, dass der Zusatzstoff nicht nur auf der Oberfläche saß, sondern tief in die Struktur des Kunststoffs integriert war, wodurch der feste Griff der Polymerketten untereinander effektiv gelockert wurde.

Das Team testete dann, wie gut diese neuen Folien Elektrizität leiten konnten, indem sie eine Methode namens elektrochemische Impedanzspektroskopie anwandten. Sie verglichen die reinen Polymerfolien mit Folien, die unterschiedliche Mengen des Thymol-Menthol-Zusatzes enthielten. Das reine Polymer war ein schlechter Leiter, aber sobald der Zusatzstoff eingeführt wurde, verbesserte sich die Fähigkeit, Ladung zu tragen, signifikant. Die beste Leistung wurde mit der Mischung erzielt, die den höchsten Anteil an Menthol enthielt, speziell diejenige mit einem Verhältnis von vier zu eins von Menthol zu Thymol. Diese spezifische Mischung ermöglichte es dem Material, Elektrizität mit einer Rate von 1,28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹ zu leiten, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem unveränderten Material darstellte. Die Forscher führten diesen Erfolg auf die geringere Viskosität der Mischung zurück, die den Ionen mehr Raum zur Bewegung gab, sowie auf die einzigartige chemische Struktur des Thymols, die den Fluss der Ladung begünstigte.

Schließlich überprüften die Forscher, wie gut diese neuen Materialien Hitze standhalten konnten. Sie fanden heraus, dass die reine Thymol-Menthol-Flüssigkeit zwar bei relativ niedrigen Temperaturen zerfiel, sobald sie jedoch in die Polymermatrix eingeschlossen war, wesentlich stabiler wurde. Die resultierende feste Folie konnte Temperaturen weit über dem standhalten, die für den typischen Batteriebetrieb erforderlich sind, was bewies, dass der Zusatzstoff die Sicherheit oder Haltbarkeit des Endprodukts nicht beeinträchtigte. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung dieser natürlichen, grünen Flüssigkeit als Zusatzstoff eine vielversprechende Strategie ist, um feste Polymerelektrolyte effizienter zu machen. Während die Forscher anmerken, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um das Material für reale Anwendungen zu optimieren, zeigen ihre Ergebnisse, dass einfache, umweltfreundliche Inhaltsstoffe die Leistung von Komponenten der nächsten Batteriemgeneration erheblich verbessern können.