Eine Hochleistungsversion der Zink-Ionen-Batterie wird die Speicherung von Energie in Bahnhöfen ermöglichen, die billiger, sicherer und umweltfreundlicher als Lithium-Ionen-Batterien zu sein verspricht.
Bisher wurden Zink-Ionen-Batterien durch ihre schnelle Zersetzung während der Nutzung stark beeinträchtigt. Nun hat ein Team der KAUST eine neue Elektrolyt- und Elektrodenkombination entwickelt, die mehrere Aspekte der Leistung von Zink-Ionen-Batterien verbessert, insbesondere die Stabilität über mehrere Lade- und Entladezyklen hinweg. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Energy & Environmental Science unter dem Titel "Concentrated dual-cation electrolyte strategy for aqueous zinc-ion batteries" veröffentlicht.
Stationäre Batteriespeicher, die an erneuerbare Energiequellen wie Solaranlagen oder Windparks angeschlossen sind, könnten der Schlüssel zum Übergang vom derzeitigen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Stromnetz sein. Im Gegensatz zu Batterien für mobile Anwendungen wie Laptops oder Elektroautos, bei denen die Größe und das Gewicht der Batterien entscheidend sind, können stationäre Batterien relativ groß und schwer sein, was die Möglichkeit eröffnet, alternative Akkutechnologien zu Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden.
Batterien, die auf einer wässrigen Lösung von Zinkionen basieren, haben aufgrund ihrer hohen Kapazität, ihrer geringen Kosten und ihrer fehlenden Toxizität großes Potenzial für die stationäre Speicherung gezeigt. "Aber Probleme wie die geringe Zyklenstabilität und die schnelle Selbstentladung haben praktische Anwendungen von wässrigen Zink-Ionen-Batterien verhindert", sagt Yunpei Zhu, ein Forscher in der Gruppe von Husam Alshareef, der die Arbeit leitete. "Beide Probleme hängen mit dem Design von Elektrolyten und Elektrodenmaterialien zusammen", fügt er hinzu. Der Elektrolyt auf Wasserbasis verursachte Probleme an beiden Elektroden der Batterie, was zu schädlichen Nebenreaktionen an der Anode und einer schnellen Auflösung der Kathode führte.
Um diese Probleme zu bekämpfen, entwickelte das Team einen Wasser-Elektrolyten mit einer sehr hohen Salzkonzentration. Je mehr Salzionen in der Lösung vorhanden sind, um die umgebenden Wassermoleküle zu binden, desto weniger freie Wassermoleküle sind verfügbar, um die Elektroden zu beschädigen.
Da Zinksalze in der Regel nur begrenzt wasserlöslich sind, fügte das Team Natrium hinzu, um einen hochkonzentrierten Elektrolyten aus Zinkperchlorat und Natriumperchlorat herzustellen. "Wir fanden heraus, dass diese Kombination eine sehr hohe Löslichkeit bietet, um die Wasseraktivität zu unterdrücken, ohne die Schlüsseleigenschaften von Zink-Ionen-Batterien, einschließlich ihrer hohen Ionenleitfähigkeit, Sicherheit oder Umweltfreundlichkeit, zu beeinträchtigen", sagt Zhu.
Neben dem neuartigen Elektrolyten entwickelte das Team ein neues Kathodenmaterial auf Nanofaserbasis für Batterien. "Die Morphologie der Nanofasern verbessert die Ionendiffusion, was zu schnelleren Lade- und Entladeraten der wässrigen Zn-Ionen-Batterien führt", sagt Alshareef. In Tests konnte das Team über 2.000 Ladezyklen hinweg fast keinen Kapazitätsabfall feststellen. "Diese Kombination aus Elektrode und Elektrolyt könnte die Mängel herkömmlicher wässriger Zn-Ionen-Batterien beheben", so Alshareef.
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