Sicherere, billigere und flexiblere Batterie für tragbare Technologie erfunden
Selbstheilende Batterie mit hervorragender Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenlebensdauer, Flexibilität und Selbstheilung auch nach zehn Selbstheilungszyklen
Forscher haben eine sicherere, billigere, leistungsfähigere und flexiblere Batterieoption für tragbare Geräte entwickelt. Ein Artikel, der das "Rezept" für ihren neuen Batterietyp beschreibt, wurde am 3. Juni in der Zeitschrift Nano Research Energy veröffentlicht.
Der Entlade- und Lademechanismus der Batterie (oben) und ihr Selbstheilungsmechanismus (unten).
Nano Research Energy, Tsinghua University
Fitness-Tracker. Intelligente Uhren. Virtual-Reality-Headsets. Sogar intelligente Kleidung und Implantate. Intelligente, tragbare Geräte sind heutzutage überall zu finden. Doch um den Komfort, die Zuverlässigkeit und die Langlebigkeit dieser Geräte zu verbessern, müssen sie flexibler werden und ihre Energiespeicher, die oft frustrierend sperrig, schwer und zerbrechlich sind, verkleinert werden. Darüber hinaus dürfen die Verbesserungen nicht auf Kosten der Sicherheit gehen.
In den letzten Jahren hat sich daher ein Großteil der Batterieforschung auf die Entwicklung von flexiblen Mikro-Energiespeichern (MFESD) konzentriert. Es wurde eine Reihe verschiedener Strukturen und elektrochemischer Grundlagen erforscht, von denen wässrige Mikrobatterien viele Vorteile bieten.
Wässrige Batterien, d. h. solche, die eine wässrige Lösung als Elektrolyt verwenden (das Medium, das den Transport von Ionen in der Batterie und damit die Herstellung eines Stromkreises ermöglicht), sind nichts Neues. Es gibt sie bereits seit dem späten 19. Jahrhundert. Jahrhundert. Ihre Energiedichte, d. h. die in der Batterie enthaltene Energiemenge pro Volumeneinheit, ist jedoch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu gering, da sie zu viel Platz benötigen würden. Lithium-Ionen-Batterien sind für solche Zwecke viel besser geeignet.
Gleichzeitig sind wässrige Batterien viel weniger entflammbar und damit sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind auch viel billiger. Aufgrund dieser robusteren Sicherheit und der niedrigen Kosten werden wässrige Optionen zunehmend als eine der besseren Möglichkeiten für MFESDs erforscht. Diese werden als wässrige Mikrobatterien oder einfach AMBs bezeichnet.
"Bislang haben AMBs ihr Potenzial leider nicht ausgeschöpft", sagt Ke Niu, Materialwissenschaftler am Guangxi Key Laboratory of Optical and Electronic Materials and Devices der Guilin University of Technology und einer der leitenden Forscher des Teams. "Um in einem tragbaren Gerät verwendet werden zu können, müssen sie ein gewisses Maß an Biegung und Verdrehung in der realen Welt aushalten können. Die meisten der bisher untersuchten Materialien versagen jedoch bei solchen Belastungen."
Um dieses Problem zu überwinden, müssten alle Brüche oder Fehlerstellen in einem AMB nach einer solchen Belastung selbstheilend sein. Leider sind die bisher entwickelten selbstheilenden AMBs in der Regel auf Metallverbindungen als Ladungsträger im Stromkreis der Batterie angewiesen. Dies hat den unerwünschten Nebeneffekt einer starken Reaktion zwischen den Metallionen und den Materialien, aus denen die Elektroden (die positiven und negativen elektrischen Leiter der Batterie) bestehen. Dies wiederum verringert die Reaktionsgeschwindigkeit der Batterie (die Geschwindigkeit, mit der die elektrochemischen Reaktionen im Herzen jeder Batterie ablaufen), was die Leistung drastisch einschränkt.
"Wir begannen daher, die Möglichkeit nichtmetallischer Ladungsträger zu untersuchen, da diese nicht unter denselben Schwierigkeiten bei der Interaktion mit den Elektroden leiden würden", fügte Junjie Shi hinzu, ein weiteres führendes Mitglied des Teams und Forscher an der School of Physics und dem Center zfor Nanoscale Characterization & Devices (CNCD) an der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan.
Das Forscherteam entdeckte Ammoniumionen, die aus reichlich vorhandenen Ammoniumsalzen gewonnen werden, als optimale Ladungsträger. Sie sind weit weniger korrosiv als andere Optionen und haben ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster.
"Aber Ammoniumionen sind nicht die einzige Zutat in dem Rezept, das erforderlich ist, um unsere Batterien selbstheilend zu machen", sagte Long Zhang, das dritte führende Mitglied des Forschungsteams, ebenfalls am CNCD.
Dazu hat das Team die Ammoniumsalze in ein Hydrogel eingearbeitet - ein Polymermaterial, das eine große Menge Wasser aufnehmen und speichern kann, ohne seine Struktur zu verändern. Dies verleiht Hydrogelen eine beeindruckende Flexibilität - genau die Art von Selbstheilungseigenschaften, die benötigt wird. Gelatine ist wahrscheinlich das bekannteste Hydrogel, obwohl sich die Forscher in diesem Fall für ein Polyvinylalkohol-Hydrogel (PVA) entschieden haben, da es eine hohe Festigkeit und geringe Kosten aufweist.
Um die Kompatibilität mit dem Ammoniumelektrolyten zu optimieren, wurde Titancarbid - ein "2D"-Nanomaterial mit nur einer einzigen Atomschicht - aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit als Anodenmaterial (negative Elektrode) gewählt. Für die Kathode (die positive Elektrode) wurde Mangandioxid, das bereits häufig in Trockenzellenbatterien verwendet wird, in eine Kohlenstoffnanoröhrenmatrix eingewoben (wiederum zur Verbesserung der Leitfähigkeit).
Tests des Prototyps der selbstheilenden Batterie zeigten, dass sie eine ausgezeichnete Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenlebensdauer, Flexibilität und Selbstheilung selbst nach zehn Selbstheilungszyklen aufweist.
Das Team will nun seinen Prototyp weiterentwickeln und optimieren, um ihn für die kommerzielle Produktion vorzubereiten.
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Originalveröffentlichung
Ke Niu, Junjie Shi, Long Zhang, Yang Yue, Mengjie Wang, Qixiang Zhang, Yanan Ma, Shuyi Mo, Shaofei Li, Wenbiao Li, Li Wen, Yixin Hou, Fei Long, Yihua Gao; "A self-healing aqueous ammonium-ion micro batteries based on PVA-NH 4Cl hydrogel electrolyte and MXene-integrated perylene anode"; Nano Research Energy
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