Pflanzenabfälle in sichere Batterien der nächsten Generation umwandeln
Hydrogel auf Pflanzenbasis bändigt Zinkdendriten und ermöglicht mehr als 1.000 stabile Zyklen
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Wässrige Zink-Ionen-Batterien versprechen eine sichere und kostengünstige Energiespeicherung, aber metallisches Zink bildet nadelartige Dendriten, die die Zellen innerhalb weniger hundert Zyklen kurzschließen. Jetzt scheint ein rein pflanzliches Hydrogel das Problem zu lösen, ohne auf giftige Zusatzstoffe oder teure Keramik zurückzugreifen.
Das Team löste mikrokristalline Cellulose in einem Alkali-/Harnstoff-Eisbad auf und nähte das Polymer dann mit Borax zusammen, um das primäre Netzwerk zu bilden. In dieses Gerüst betteten sie TEMPO-oxidierte Zellulose-Nanofasern ein - bandförmige Stränge von 3 nm Dicke und Hunderten von Nanometern Länge, die dichte Carboxylgruppen tragen. Die Nanofasern fungieren sowohl als mechanische Bewehrung als auch als Ionenleitung: Molekulardynamische Simulationen zeigen, dass die Zn2+-Diffusion entlang des Komposits auf 4,59 × 10-4 m2 s-1 ansteigt und damit fast doppelt so hoch ist wie bei reiner Zellulose.
Mechanische Tests zeigen, dass die optimierte Folie - die nur 1 mm dick ist - nach dem Einweichen in 2 M ZnSO4 eine Zugfestigkeit von 0,57 MPa erreicht und damit viermal härter ist als die reine Zellulosekontrolle, aber immer noch 62 % transparent ist. Symmetrische Zn//Zn-Zellen, die mit 0,5 mA cm-2 betrieben werden, überleben 1 100 h ohne plötzlichen Spannungsabfall, während handelsübliche Glasfaser-Separatoren nach 120 h versagen. Selbst bei 10 mA cm-2 hält das Hydrogel 650 h durch, und ein Ofentest bei 45 °C zeigt eine viermal längere Lebensdauer als der flüssige Vergleichswert.
In Verbindung mit einer NaCl-vorbehandelten V2O5-Kathode liefern volle Zellen 237 mAh g-1 bei 0,2 A g-1 und behalten 79,9 % ihrer Kapazität nach 1 000 Zyklen bei 1 A g-1; bei flüssigen Elektrolyten sind es nur noch 69,4 %. Post-mortem AFM-Bilder zeigen, dass die geschützte Zinkoberfläche glatt bleibt (Ra ≈ 52 nm), während das flüssige Gegenstück raue dendritische Knötchen bildet (Ra ≈ 108 nm).
Entscheidend ist, dass das Material für die reale Herstellung ausgelegt ist. Alle Zutaten - Zellulosepulver, Bambuszellstoff, Borax und ZnSO4 - sind handelsübliche Chemikalien, und das Gel kann wie bei der Papierherstellung auf Rollen gegossen werden. Die Kostenberechnung zeigt, dass 1 cm2 des Bio-Gels nur 8 % eines handelsüblichen Glasfaserseparators kostet, während es durch Zellulaseaufschluss innerhalb von vier Stunden entsorgt wird, was einen Entsorgungsweg bietet, der herkömmlichen Membranen fehlt.
Flexible Beutelzellen, die mit dem Elektrolyt gebaut wurden, versorgen eine Zeitschaltuhr auch dann noch mit Strom, wenn sie unter einem Gewicht von 2 kg um 90° gebogen werden, was auf die Verwendung als Wearables oder E-Textilien hindeutet. Die Autoren sagen, dass die gleiche Vernetzungschemie auch mit Natrium- oder Aluminiumsalzen funktionieren sollte, wodurch die Nachhaltigkeitsdividende möglicherweise auf andere Post-Lithium-Chemien ausgeweitet werden könnte.
Mit der Unterstützung von Förderorganisationen in China, die Versuche zur Maßstabsvergrößerung durchführen, wird das Cellulosehydrogel wohl bald das Labor verlassen und in Pilotanlagen zur Beschichtung eingesetzt werden - und aus reichlich vorhandenen Pflanzenabfällen den stillen Wächter der nächsten Generation sicherer Batterien machen.
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.
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