Neue Membran verbessert Reversibilität von Zink-Luft-Batterien
Die wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien (ZAB) stehen seit langem vor dem Problem der elektrochemischen Irreversibilität der Zn-Anode und der Zersetzung der Luftkathoden im alkalischen Elektrolyten, was letztendlich zu einer schlechten Zykluslebensdauer und einer niedrigen Zellspannung führt.
Schematische Darstellung des hybriden ZAB mit einer protonenabschirmenden, hydrophob-ionenleitenden Membran und den entsprechenden chemischen Reaktionen.
Image by ZHANG Xinbo
Um die Reversibilität von ZABs zu verbessern, wurden umfassende Anstrengungen unternommen, um hochgradig überlebensfähige Katalysatoren für die Luftkathode zu nutzen und gleichzeitig die Korrosion der Zn-Anode durch Elektrodendesign oder Elektrolytzusätze zu schwächen. Diese Strategien können die mit dem stark alkalischen Elektrolyten verbundenen Kernprobleme zwar abmildern, aber nicht vollständig überwinden.
Einen anderen Ansatz verfolgte ein Forscherteam unter der Leitung von ZHANG Xinbo vom Changchun Institute of Applied Chemistry (CIAC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das vor kurzem eine stabile Hochspannungs-Hybrid-ZAB entwickelte, indem es eine neutrale Zn-Anode, eine saure Kathode und eine duale hydrophob-induzierte, protonenabschirmende Membran zur Trennung der beiden Elektroden verwendete. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.
Die Forscher fanden heraus, dass in neutralen Elektrolyten eine hochgradig reversible Zn-Beschichtung/Abstreifung erreicht werden kann, während saure Elektrolyte wesentlich sind, um die Luftkathode immun gegen CO2-Vergiftungsprobleme zu machen. Daher schlugen sie eine hybride ZAB vor, indem sie die funktionalen Umgebungen der sauren Luftkathode und der neutralen Zn-Anode entkoppelten.
Die wesentliche Voraussetzung für den Langzeitbetrieb einer hybriden ZAB ist jedoch, dass die beiden Elektroden unabhängig voneinander in ihren jeweiligen Umgebungen arbeiten und so den Protonenübergang vom Katholyt zum Anolyt vollständig und dauerhaft verhindern. Ausgehend von dieser Voraussetzung schlugen die Forscher eine Protonen-Shuttle-abschirmende, hydrophob-ionenleitende Membran vor, um dieses Hybridsystem zu ermöglichen.
Diese Hybridzelle ermöglicht eine optimierte Redoxchemie sowohl für die Zn-Anode als auch für die Luftkathode. Dies ermöglicht stabiles Zn-Stripping/Plating im neutralen Elektrolyten und die hohe Spannung der Sauerstoff-Redoxreaktion im sauren Elektrolyten. Infolgedessen weist die hybride ZAB eine hohe Arbeitsspannung von 1,5 V und eine lange Zykluslebensdauer von 2000 Stunden auf.
ZHANG und sein Team schlugen zwei Arten von Prototypen für Hybridzellen vor, die die Strategie der Protonenabschirmung und der hydrophoben Ionenleitung nutzen. Sowohl die Zn-Mn-Hybridbatterie als auch die Zn-Br-Hybridbatterie sollen eine potenziell hohe Spannung und eine lange Zykluslebensdauer aufweisen und damit die Möglichkeit aufzeigen, solche Hybridzellen zur Herstellung von wässrigen Batterien mit hoher Energiedichte zu verwenden.
Laut ZHANG "könnte das Aufkommen einer hybriden ZAB auch die Entwicklung vieler aufkeimender Bereiche wie saure ORR/OER in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren anregen."
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