03.09.2020 - Chinese Academy of Sciences

Wissenschaftler entwickeln niedertemperaturbeständige wässrige Batterien auf Zinkbasis

Wässrige Batterien auf Zinkbasis (ZBBs) werden aufgrund ihrer hohen Sicherheit, niedrigen Kosten und hohen Energiedichte häufig für tragbare und netzgebundene Anwendungen eingesetzt.

Die inhomogene Zinkabscheidung auf der Anode während der Aufladung und die Zinkdendritenbildung verringern jedoch die Zyklenstabilität von ZBBs. Darüber hinaus sind die traditionellen wässrigen Elektrolyte aufgrund der plötzlich gesunkenen Ionenleitfähigkeiten nicht in der Lage, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten, wodurch der anwendbare Temperaturbereich der wässrigen ZBBs eingeschränkt wird.

Kürzlich entwickelte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. LI Xianfeng vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen kältebeständigen, kostengünstigen, sicheren und umweltfreundlichen Hybridelektrolyten für wässrige ZBBs.

Der entwickelte Elektrolyt, bestehend aus Wasser (H2O), Ethylenglykol (EG) und Zinksulfat (ZnSO4), wies bei niedriger Temperatur eine hohe Zink-Ionen-Leitfähigkeit auf.

"Wir haben die einzigartige Solvationswechselwirkung von Zn2+ mit EG durch Experimente zusammen mit theoretischer Berechnung demonstriert", sagte Prof. LI.

Diese Wechselwirkung könnte nicht nur die Wasserstoffbindung zwischen EG und H2O verbessern, wodurch der Hybridelektrolyt einen niedrigeren Gefrierpunkt erhält, sondern auch die Solvatisierungswechselwirkung von Zn2+ mit H2O schwächen, wodurch eine hoch reversible Zn/Zn2+-Chemie und eine gleichmäßige Zinkabscheidung erreicht wird.

Sowohl die Zn-Ionen-Hybrid-Superkondensatoren (ZHSCs) als auch die Zn-Ionen-Batterien (ZIBs) mit den Hybridelektrolyten zeigten hohe Energiedichten, hohe Leistungsdichten und eine lange Lebensdauer bei -20 °C. Diese Serie von Hybridelektrolyten mit abstimmbaren EG-zu-H2O-Verhältnissen bot ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten, was eine vielversprechende Anwendung in verschiedenen Regionen ermöglichte.

Diese Arbeit bietet Aufschluss über die Entwicklung von Elektrolyten für Niedertemperatur-Energiespeicher. Sie wurde von der Natural Science Foundation of China und dem CAS Engineering Laboratory for Electrochemical Energy Storage unterstützt.

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