Wasser zum Trinken? Nein, Wasser für Batterien
Stellen Sie sich vor, Sie haben drei Stunden lang keinen Akku
Können wir drei Minuten ohne Luft oder drei Tage ohne Wasser überleben? Und wie sieht es ohne Batterien aus? Leichte Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität sind in Mobiltelefonen, Laptops und anderen Gebrauchsgegenständen der heutigen Welt weit verbreitet. Die organischen Elektrolyte in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch leicht entflammbar, was zu tödlichen Bränden oder Explosionen führen kann. Da Lithium-Ionen-Batterien in unserem Leben weit verbreitet sind, können solche Unfälle den Benutzern direkten Schaden zufügen, was zu der Forderung nach einem sichereren Batteriesystem geführt hat.
Schematische Darstellung einer wässrigen Zinkbatterie, die durch eine schützende Polymerschicht stabilisiert wird.
POSTECH
Professor Soojin Park und Gyujin Song (Post-Doc-Stipendiat) vom Fachbereich Chemie und Doktorand Sangyeop Lee von der Division of Advanced Materials Science bei POSTECH entwickelten gemeinsam eine stabile wässrige Zink-Ionen-Batterie, die Wasser als Elektrolyt verwendet. Sie setzten eine schützende Polymerschicht ein, um die Elektrodenkorrosion zu verhindern und die Stabilität der Zinkanode zu erhöhen, wodurch die elektrochemische Stabilität der wässrigen Zink-Ionen-Batterie verbessert wurde.
Der auf organischen Lösungsmitteln basierende Elektrolyt, der als Medium für die Ionenbewegung in einem typischen Batteriesystem dient, ist von Natur aus entflammbar und birgt die Gefahr von Explosionen oder Bränden. Um dieses Problem zu lösen, werden Batterien mit wässrigen Elektrolyten als vielversprechender Ersatz entwickelt. Die schlechte Reversibilität der Zinkanode in wässrigen Elektrolyten, die durch Zinkdendriten und Oberflächennebenreaktionen verursacht wird, hat jedoch den Einsatz von Zink-Ionen-Batterien verhindert.
Das POSTECH-Forschungsteam entwickelte eine Zinkanode, die mit einer multifunktionalen Schutzschicht unter Verwendung eines Blockcopolymers beschichtet wurde. Diese neue Polymerschicht ist elastisch und dehnbar und widersteht der Volumenausdehnung während des Ladens und Entladens der Batterie.
Die polymere Schutzschicht sorgt für eine homogene Ionenverteilung und unterdrückt dendritisches Wachstum, was zu einer langen Lebensdauer der Zinkanode beiträgt. Die Dünnfilmschicht verbessert auch die Elektrodenstabilität, indem sie unnötige chemische/elektrochemische Reaktionen im Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche unterdrückt.
Darüber hinaus konnten die Forscher die Bewegung der Zinkionen in der Beschichtungsschicht mit Hilfe der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) nachweisen. Die Abbildung der Zinkionenbewegungen, die in früheren Studien nicht gelungen war, verspricht weitere Forschung zu den Oberflächeneigenschaften von Batterieanoden.
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