13.01.2021 - University of Houston

Eine sicherere, preiswertere und schnell ladende wässrige Batterie

Neue Anode für wässrige Batterien ermöglicht die Verwendung von billigem, reichlich vorhandenem Meerwasser als Elektrolyt

Lithium-Ionen-Batterien sind für das moderne Leben von entscheidender Bedeutung, von der Stromversorgung unserer Laptops und Handys bis hin zu den neuen Urlaubsspielzeugen. Aber es gibt ein Sicherheitsrisiko - die Batterien können Feuer fangen.

Wässrige Batterien auf Zinkbasis vermeiden die Brandgefahr, indem sie einen Elektrolyten auf Wasserbasis anstelle des herkömmlichen chemischen Lösungsmittels verwenden. Unkontrolliertes Dendritenwachstum schränkt jedoch ihre Fähigkeit ein, die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Leistung und lange Lebensdauer zu bieten.

Jetzt haben Forscher in Nature Communications berichtet, dass eine neue 3D-Zink-Mangan-Nanolegierungsanode die Einschränkungen überwunden hat, was zu einer stabilen, leistungsstarken, dendritenfreien wässrigen Batterie mit Meerwasser als Elektrolyt führt.

Xiaonan Shan, Co-Autor der Arbeit und Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der University of Houston, sagte, dass die Entdeckung vielversprechend für die Energiespeicherung und andere Anwendungen ist, einschließlich Elektrofahrzeuge.

"Es bietet eine kostengünstige, hohe Energiedichte, stabile Batterie", sagte er. "Es sollte von Nutzen für zuverlässige, wiederaufladbare Batterien sein."

Shan und UH-Doktorand Guangxia Feng entwickelten auch eine optische In-situ-Visualisierungstechnik, mit der sie die Reaktionsdynamik an der Anode direkt und in Echtzeit beobachten können. "Diese Plattform gibt uns die Möglichkeit, die Reaktionsdynamik der Elektrode direkt in situ abzubilden", sagte Shan. "Diese wichtigen Informationen liefern einen direkten Nachweis und eine Visualisierung der Reaktionskinetik und helfen uns, Phänomene zu verstehen, die vorher nicht so einfach zugänglich waren."

Die Tests ergaben, dass die neuartige 3D-Zink-Mangan-Nanolegierungsanode während 1.000 Stunden Lade-/Entladezyklen unter hoher Stromdichte (80 mA/cm2) stabil blieb, ohne sich zu verschlechtern.

Die Anode ist die Elektrode, die Strom aus einer Batterie abgibt, während Elektrolyte das Medium sind, durch das die ionische Ladung zwischen Kathode und Anode fließt. Die Verwendung von Meerwasser als Elektrolyt anstelle von hochgereinigtem Wasser bietet eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Batteriekosten.

Traditionelle Anodenmaterialien, die in wässrigen Batterien verwendet werden, sind anfällig für Dendriten, winzige Wucherungen, die dazu führen können, dass die Batterie an Leistung verliert. Shan und seine Kollegen schlugen eine Strategie zur effizienten Minimierung und Unterdrückung der Dendritenbildung in wässrigen Systemen vor und demonstrierten sie, indem sie die Thermodynamik der Oberflächenreaktion mit einer Zinklegierung und die Reaktionskinetik durch eine dreidimensionale Struktur kontrollierten.

Shan sagte, dass Forscher an der UH und der University of Central Florida derzeit neben der Zink-Mangan-Legierung auch andere Metalllegierungen untersuchen.

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