Neues Kathodenmaterial bringt wässrige Zink-Ionen-Batterien der Realisierbarkeit näher
Forscher nutzen Kugelmahlen als kostengünstige Methode, um Sauerstoffdefekte in elektrolytischem MnO₂ zu erzeugen
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Eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler und Ingenieure im Zeitalter der sauberen Energie ist nicht die Erzeugung von Energie aus Sonne und Wind, sondern deren Speicherung.
Bislang wurden in Fahrzeugen vor allem Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, da sie auf kleinem Raum große Energiemengen speichern können, beim Laden und Entladen nur wenig Energie verlieren und schnell auf Schwankungen im Strombedarf reagieren. Trotz dieser Vorteile bergen Lithium-Ionen-Batterien Brandgefahren, sind anfällig für Lieferengpässe und teuer, was die Forschung nach anderen Materialtechnologien für die Batterien der Zukunft vorantreibt.
Eine Technologie, die Forscher für den Einsatz in Batterieanwendungen untersucht haben, sind wässrige Zink-Ionen-Batterien (AZIBs). Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwenden AZIBs zweiwertige Zinkionen (Zn²⁺, ein positiv geladenes Metallatom, das zwei Elektronen verloren hat) anstelle von einwertigen Lithiumionen (Li⁺) als Ladungsträger – also als die sich bewegenden Teilchen, die eine elektrische Ladung transportieren, um einen Stromfluss zu erzeugen. Zudem verwenden AZIBs als Elektrolyt sichere, auf Wasser basierende, schwach saure oder neutrale Salzlösungen anstelle von flüchtigen, hochentzündlichen organischen flüssigen Lösungsmitteln, wodurch sie nicht brennbar sind. Die Anoden von AZIBs – also die Elektronenquelle und der Ort, an dem die chemische Oxidation stattfindet – bestehen ebenfalls aus kostengünstigem, reichlich vorhandenem Zink anstelle von Lithiumverbindungen, was sie kosteneffizienter macht.
Die Suche nach einer idealen Kathode – also einer positiv geladenen Elektrode, die während der Entladung Elektronen aufnimmt – für AZIBs war bislang der größte Engpass bei der Entwicklung dieser Technologie. Um dieses Problem anzugehen, untersuchte ein Forscherteam der Chongqing-Universität, der Guizhou-Pädagogischen Universität, der Hainan-Universität und der Taizhou-Universität den Einsatz von synthetischem elektrolytischem Mangandioxid (MnO₂) als Kathodenmaterial für AZIBs aufgrund seiner geringen Kosten, seiner großen Verfügbarkeit, seiner hohen Energiespeicherkapazität und seiner Sicherheit.
Das Team veröffentlichte am 15. Juli seinen Artikel „Unveiling the action mechanism of synergistic d/p-band center modulation on the zinc storage capability of industrial-grade MnO₂ cathode“ in „Nano Research Energy“, herausgegeben von der Tsinghua University Press.
„Die praktische Anwendung von industriell hergestelltem elektrolytischemMnO₂ (EMD) wird durch seine schlechte intrinsische Leitfähigkeit – also die Fähigkeit, Strom zu leiten – behindert, was die Reaktionskinetik verlangsamt, sowie durch seine strukturelle Instabilität während der Lade- und Entladezyklen. Letzteres führt zu irreversiblen Phasenübergängen – thermodynamischen Verschiebungen –, die das System ohne Zufuhr von Energie von außen nicht in seinen Ausgangszustand zurückversetzen können, sowie zu struktureller Degradation und einer daraus resultierenden Manganauslösung, was einen irreversiblen Kapazitätsverlust verursacht. Daher stellt die Erforschung von EMD-Kathoden einen entscheidenden Schritt dar, um die Lücke zwischen der Grundlagenforschung und der praktischen Umsetzung von AZIBs … sowie kommerziell tragfähigen Energiespeicherlösungen im Netzmaßstab zu schließen“, sagte Zhenyue Xing, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Hainan-Universität in Haikou, China, und Mitautor der Forschungsstudie.
Eine Möglichkeit, die elektronische Leitfähigkeit zu verbessern, das elektrostatische Einfangen von Zn²⁺-Ionen zu verringern und die Ionen-Diffusionskinetik von EMD zu beschleunigen, besteht darin, Sauerstoffdefekte – also fehlende Sauerstoffatome in der Kristallstruktur eines festen Materials wie MnO₂ – in kommerziellen EMD-Materialien zu erzeugen. Diese Defekte hinterlassen zusätzliche Elektronen und ermöglichen es den Elektronen, sich frei durch das Material zu bewegen.
Die Forscher nutzten das Kugelmahlen – ein Verfahren, bei dem Pulver durch das mechanische Umwälzen oder Vibrieren schwerer Kugeln in einem Behälter zermahlen wird – als kostengünstige Methode zur Erzeugung von Sauerstoffdefekten in EMD. Durch diesen Prozess ermöglicht die mechanische Scherenergie dem Gittersauerstoff in EMD, zu entweichen.
Das Team verglich die grundlegenden Eigenschaften von kugelgemahlenem EMD mit denen von nativem EMD, darunter Adsorptionsenergien (die Bindungsstärke zwischen einem Molekül und einer Oberfläche) und kinetische Barrieren, die sich in den Migrationsenergien vonZn²⁺-und H⁺-Ionenwiderspiegeln – also die Energiebarrieren, die geladene Atome oder Moleküle überwinden müssen, um sich durch ein festes Material oder ein Kristallgitter zu bewegen.
„Nach der Kugelmahlbehandlung sinkt der Sauerstoffgehalt von EMD von 68,93 % auf 61,17 %, während der Mangangehalt entsprechend von 31,07 % auf 38,83 % ansteigt. Diese Zusammensetzungsverschiebung deutet auf die Bildung von Sauerstoffleerstellen (Ov) innerhalb der MnO₂-Struktur hin. Das Vorhandensein vonOv fördert den Elektronentransport durch die induzierte Halbmetallizität (eine Eigenschaft, bei der Elektronen einer Spinrichtung wie ein Metall Strom leiten, während sich Elektronen mit entgegengesetztem Spin wie ein Isolator verhalten), was die Leitfähigkeit verbessert und somit die elektrochemische Leistung der MnO₂-Kathode steigern kann“, sagte Xing.
Die Forscher entdeckten, dass die Sauerstoffdefekte im kugelmahlenen EMD die Energieniveaus der metallischen (d)-Bänder und der nichtmetallischen (p)-Bänder, die sich auf die Atomorbitalen beziehen, welche die leitenden Metall- oder Nichtmetall-Eigenschaften verleihen, verschieben, um die Ionenbindungsenergien auszugleichen und so das Einfangen oder Zurückhalten vonZn²⁺-und H⁺-Ionenzu verhindern – einer der Nachteile von nativem EMD. Diese Verschiebung der Energieniveaus senkt zudem die Diffusionsbarrieren (die Energie, die Ionen benötigen, um sich durch eine Gitterstruktur zu bewegen) und begrenzt die strukturellen Verzerrungen, die bei EMD während des Zyklusbetriebs beobachtet werden.
„Diese Studie liefert nicht nur ein hochleistungsfähiges Elektrodenmaterial für fortschrittliche ZIBs, sondern bietet auch tiefgreifende mechanistische Einblicke in die entscheidende Rolle der Defektchemie bei der Regulierung der Reaktionskinetik und zeigt damit einen vielversprechenden und skalierbaren Weg für die Entwicklung von Energiespeichermaterialien der nächsten Generation auf“, sagte Xing.
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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