Chlorid-Ionen aus Meerwasser als möglicher Lithium-Ersatz in Batterien der Zukunft
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Natrium, Kalium und Zink sind allesamt vielversprechende Anwärter auf den Platz von Lithium in den wiederaufladbaren Batterien der Zukunft, aber Forscher am Worcester Polytechnic Institute (WPI) haben einen ungewöhnlichen und reichlich vorhandenen Konkurrenten in die Mischung aufgenommen: Chlorid, die am stärksten negativ geladenen Ionen im Meerwasser.
Xiaowei Teng
Xiaowei Teng, der James H. Manning-Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, hat eine neue Redox-Chemie entdeckt, die durch Chlorid-Ionen für die Entwicklung von grünen Meerwasserbatterien gestärkt wird.
Moderne Lithium-Ionen-Batterien, die in verschiedenen Anwendungen, darunter auch in Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen, können für die Netzspeicherung problematisch sein, da sie hohe Kosten verursachen, auf kritische Materialien wie Kobalt, Nickel und Lithium angewiesen sind und geografisch nur begrenzt verfügbar sind. So besitzen beispielsweise sechs Länder über 85 % der Lithiumreserven auf dem Festland.
Teng und seine Forscherkollegen - Heath Turner, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Universität von Alabama, und Lihua Zhang, Milinda Abeykoon, Gihan Kwon, Daniel Olds, allesamt Forscher am Brookhaven National Laboratory in New York - gingen über die Grenzen der derzeitigen grünen Batterietechnologie hinaus, indem sie die Redoxchemie von Eisenoxid-Batteriematerialien durch den Einsatz von Chlorid-Ionen verstärkten.
Diese Studie zeigte, dass durch die Einbringung von Chloridionen in Fe(OH)2-Doppelhydroxidschichten ein kristallines Green-Rust-Zwischenprodukt entsteht, das eine Fe(OH)2/FeOOH-Umwandlungsreaktion mit einem Ladungstransfer unterstützt und die Zyklenstabilität verbessert. Diese neue Eisenredoxchemie wurde im WPI-Labor entdeckt und untersucht. Teng und sein Doktorand Sathya Narayanan Jagadeesan, der der Hauptautor des Artikels ist, reisten weiter zu den Nutzereinrichtungen des Energieministeriums am Brookhaven National Laboratory, um Experimente zur Validierung der Ergebnisse unter Verwendung von operando-Synchrotron-Röntgenbeugung und hochauflösender Elementarabbildung durchzuführen.
Teng und sein WPI-Team stellten eine wässrige Batterie her, einen kleinen Prototyp im Labormaßstab, der in einem Elektrolyten auf Wasserbasis arbeitet und Elektroden verwendet, die hauptsächlich aus häufig vorkommenden Elementen wie Eisenoxiden und -hydroxiden bestehen. Das Team hat zwar die Kosten noch nicht berechnet, aber die Verwendung von Materialien, die in der Erde reichlich vorhanden sind, dürfte den Ausschlag zu ihren Gunsten geben, sagt Teng. In den USA fallen jedes Jahr mehr als 15 Millionen Tonnen Eisenschrott an, die nicht recycelt werden und von denen viele in Form von Rost vorliegen. Daher trägt die beschriebene wiederaufladbare alkalische Eisenbatteriechemie dazu bei, die Eisenrostabfälle für moderne Energiespeicher wiederzuverwenden.
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