Forscherteam entdeckt große Speicherkapazität in wasserbasierten Batterien

Diese sicherere Chemie würde auch Batteriebrände verhindern

05.04.2023 - USA

Forscher der Texas A&M University haben einen Unterschied von 1.000 % in der Speicherkapazität von metallfreien, wasserbasierten Batterieelektroden entdeckt.

Diese Batterien unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Batterien, die Kobalt enthalten. Das Ziel der Gruppe, metallfreie Batterien zu erforschen, besteht darin, eine bessere Kontrolle über die heimische Lieferkette zu haben, da Kobalt und Lithium ausgelagert werden. Diese sicherere Chemie würde auch Batteriebrände verhindern.

Dr. Jodie Lutkenhaus, Professorin für Chemieingenieurwesen, und Dr. Daniel Tabor, Assistenzprofessor für Chemie, haben ihre Erkenntnisse über lithiumfreie Batterien in Nature Materials veröffentlicht.

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"Es gäbe keine Batteriebrände mehr, da sie auf Wasserbasis hergestellt werden", sagte Lutkenhaus. "Wenn in Zukunft eine Materialknappheit prognostiziert wird, wird der Preis für Lithium-Ionen-Batterien stark ansteigen. Wenn wir diese alternative Batterie haben, können wir uns dieser Chemie zuwenden, bei der die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie hier in den Vereinigten Staaten herstellen können und die Materialien zur Herstellung hier vorhanden sind.

Lutkenhaus sagte, dass wässrige Batterien aus einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode bestehen. Die Kathoden und Anoden sind Polymere, die Energie speichern können, und der Elektrolyt ist Wasser, das mit organischen Salzen gemischt ist. Der Elektrolyt ist durch seine Wechselwirkung mit der Elektrode der Schlüssel zur Ionenleitung und Energiespeicherung.

"Wenn eine Elektrode während des Zyklus zu sehr anschwillt, kann sie die Elektronen nicht mehr gut leiten, und die gesamte Leistung geht verloren", sagte sie. "Ich glaube, dass die Energiespeicherkapazität je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten um 1.000 % variieren kann."

Ihrem Artikel zufolge sind redoxaktive, nicht konjugierte radikalische Polymere (Elektroden) vielversprechende Kandidaten für metallfreie wässrige Batterien, da die Polymere eine hohe Entladungsspannung und eine schnelle Redoxkinetik aufweisen. Die Reaktion ist komplex und aufgrund des gleichzeitigen Transfers von Elektronen, Ionen und Wassermolekülen schwer aufzulösen.

"Wir demonstrieren die Natur der Redoxreaktion durch die Untersuchung wässriger Elektrolyte mit unterschiedlichem chao-/kosmotropem Charakter unter Verwendung der elektrochemischen Quarzkristall-Mikrowaage mit Überwachung der Dissipation auf verschiedenen Zeitskalen", so die Forscher in dem Artikel.

Tabors Forschungsgruppe ergänzte die experimentellen Bemühungen durch rechnerische Simulationen und Analysen. Die Simulationen gaben Einblicke in das mikroskopische Bild der Struktur und Dynamik auf molekularer Ebene.

"Theorie und Experiment arbeiten oft eng zusammen, um diese Materialien zu verstehen. Eines der neuen Dinge, die wir in dieser Arbeit rechnerisch tun, ist, dass wir die Elektrode tatsächlich auf mehrere Ladungszustände aufladen und sehen, wie die Umgebung auf diese Aufladung reagiert", so Tabor.

Die Forscher haben makroskopisch beobachtet, ob die Batteriekathode in Gegenwart bestimmter Salze besser funktioniert, indem sie genau gemessen haben, wie viel Wasser und Salz in die Batterie gelangt, während sie in Betrieb ist.

"Wir haben das getan, um zu erklären, was experimentell beobachtet wurde", sagte er. "Jetzt möchten wir unsere Simulationen auf zukünftige Systeme ausweiten. Wir brauchen eine Bestätigung unserer Theorie über die Kräfte, die diese Art der Injektion von Wasser und Lösungsmittel antreiben.

"Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie sind wir auf dem Weg zu lithiumfreien Batterien einen Schritt weiter. Wir haben ein besseres Bild auf molekularer Ebene davon, warum manche Batterieelektroden besser funktionieren als andere, und das gibt uns starke Hinweise darauf, wo wir bei der Materialentwicklung ansetzen müssen", sagte Tabor.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Ma, T., Li, CH., Thakur, R.M. et al. The role of the electrolyte in non-conjugated radical polymers for metal-free aqueous energy storage electrodes. Nat. Mater. 22, 495–502 (2023)

https://www.chemie.de/news/1180073/forscherteam-entdeckt-grosse-speicherkapazitaet-in-wasserbasierten-batterien.html

Originalveröffentlichung

Ma, T., Li, CH., Thakur, R.M. et al. The role of the electrolyte in non-conjugated radical polymers for metal-free aqueous energy storage electrodes. Nat. Mater. 22, 495–502 (2023)

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