Wie Fischschuppen und Spinnenbeine Batterien revolutionieren

Biomimetisches Design optimiert Zink-Luft-Batterien

11.03.2026

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Zink-Luft-Batterien (ZABs) gelten dank ihrer hohen theoretischen Energiedichte, Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz als vielversprechende Option für die nachhaltige Energiespeicherung der nächsten Generation. Ihr praktischer Einsatz wurde jedoch durch langsame Sauerstoffreduktionsreaktionen (ORR) an Luftelektroden und einen ineffizienten Massentransport von Reaktanten und Produkten eingeschränkt - Probleme, die eng mit den strukturellen Beschränkungen herkömmlicher Luftelektroden zusammenhängen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat sich ein Forschungsteam der Jiangsu University of Science and Technology von der Natur inspirieren lassen und eine innovative asymmetrische Luftelektrode durch eine einfache kohlenstoffhaltige Montagestrategie entwickelt. Zwei Komponenten, funktionalisierte Graphen-Nanoblätter (FGNS) und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (FCNT), die beide Eisenphthalocyanin für die Sauerstoffreduktionskatalyse verankern, werden als Bausteine verwendet. Erstere fügen sich zu einer fischschuppenartigen, hydrophilen Lamellenstruktur zusammen, die dem Elektrolyten zugewandt ist und ein schnelles Eindringen von Ionen ermöglicht, während letztere eine wasserspinnenbeinartige, hydrophobe Zottenstruktur bilden, die der Umgebungsluft ausgesetzt ist und das schnelle Eindringen von Sauerstoff fördert.

Die bewusste asymmetrische Architektur (Asy-FCNTs-FGNSs) schafft einen kontinuierlichen Benetzbarkeitsgradienten, der die Dreiphasen-Reaktionszone (fester Katalysator/flüssiger Elektrolyt/gasförmiger Sauerstoff) drastisch erweitert und einen schnellen Stofftransport ermöglicht - Sauerstoff von der Luft zum Katalysator und Ionen vom Elektrolyten zu den aktiven Stellen. Diese strukturellen Optimierungen verbessern effektiv die Ausnutzung der katalytischen Stellen und die strukturelle Haltbarkeit, was sich direkt in einer verbesserten Batterieleistung niederschlägt.

Die experimentelle Validierung bestätigt eine deutlich verbesserte Leistung in Zink-Luft-Batterien, die mit dieser bioinspirierten Elektrode ausgestattet sind. Sie erreicht eine Spitzenleistungsdichte von 239,3 mW ^cm-2, eine spezifische Kapazität von 814,3 mAh ^g-1 bei 10 mA ^cm-2 und eine stabile Zyklusdauer von 3696 Zyklen bei 10 mA ^cm-2. Diese Leistung übertrifft herkömmliche symmetrische Elektroden und selbsttragende Luftelektroden auf dem neuesten Stand der Technik, über die in früheren Studien berichtet wurde.

Neben den Leistungssteigerungen bietet das Design einen skalierbaren und kostengünstigen Herstellungsprozess. Durch die direkte Nutzung der optimierten Strukturen von Wasserspinnenbeinen und Fischschuppen in Kombination mit einer unkomplizierten kohlenstoffhaltigen Montagemethode bietet die Forschung ein innovatives Paradigma für die Optimierung der Elektrodenarchitektur - ein Paradigma, das die Entwicklung fortschrittlicher Energiespeicher über Zink-Luft-Batterien hinaus beeinflussen könnte.

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Originalveröffentlichung

Yafei Zhao, Xingmei Guo, Hanzhen Li, Weidong He, Qianqian Fan, Zhongyao Duan, Shenglin Xiong, Qinghong Kong, Junhao Zhang; "Janus carbonaceous assembly of biomimetic wettability-gradient air electrode for optimizing zinc-air battery kinetics"; Science Bulletin, Volume 71

https://www.chemie.de/news/1188260/wie-fischschuppen-und-spinnenbeine-batterien-revolutionieren.html