In einem vom US-Energieministerium und der National Science Foundation geförderten Projekt wurden erhebliche Unterschiede in der Speicherkapazität wasserbasierter Batterien festgestellt. Dank dieser Entdeckung könnten bald lithiumfreie Batterien entwickelt werden.
Wissenschaftler der A&M University in Texas entdeckten einen 1000%igen Unterschied in der Speicherkapazität metallfreier, wasserbasierter Batterieelektroden. Diese Batterien sind im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien einzigartig.
Wissenschaftler wollen sich auf diesen Batterietyp konzentrieren, um die Kontrolle über die heimischen Lieferketten zu verbessern. Mit diesen Batterien können potenzielle Brände vermieden werden, da ihre chemische Zusammensetzung sicherer ist.
Laut Professor Lütkenhaus bestehen wässrige Batterien aus einer Elektrode, einer Anode und einer Kathode. Kathode und Anode sind Polymere und speichern Energie. Elektrolyte werden mit Wasser und organischen Salzen vermischt.
Es interagiert mit Elektroden und ist der Schlüssel zur Energiespeicherung und Ionenleitung. Nicht-konjugierte Radikale und redoxaktive Polymere sind die vielversprechendsten Kandidaten für metallfreie wässrige Batterien . Polymere weisen eine schnelle Redoxkinetik und eine hohe Entladespannung auf. Dies macht die Reaktion komplex und schwierig.
Die Chemieingenieurprofessorin Dr. Jodie Lutkenhaus erklärte: „Es gäbe keine Batteriebrände mehr, da die Batterie auf Wasserbasis hergestellt wird. Sollten in Zukunft Materialengpässe auftreten, wird der Preis für Lithium-Ionen-Batterien deutlich steigen.“
Wenn wir diese alternative Batterie haben, können wir auf diese Chemie zurückgreifen, bei der die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie hier in den Vereinigten Staaten herstellen können und die Materialien für ihre Herstellung hier vorhanden sind.
„Wenn eine Elektrode während des Lade-Entlade-Zyklus zu stark aufquillt, kann sie Elektronen nicht mehr gut leiten, und die gesamte Leistung geht verloren“, sagte sie. „Ich glaube, dass die Energiespeicherkapazität je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten um 1,000 % variieren kann.“
Andere Forscher des Projekts erwähnten: „Wir demonstrieren die Natur der Redoxreaktion, indem wir wässrige Elektrolyte mit unterschiedlichem chao-/kosmotropem Charakter mithilfe einer elektrochemischen Quarzkristallmikrowaage untersuchen und die Dissipation über einen Bereich von Zeitskalen hinweg überwachen.“
Um zu überprüfen, ob die Batteriekathode in Gegenwart bestimmter Salze besser funktioniert, beobachteten die Forscher den Prozess makroskopisch . Sie maßen genau, wie viel Wasser und Salz während des Betriebs in die Batterie gelangt.
Dr. Daniel Tabor , Assistenzprofessor für Chemie, erklärte: „Theorie und Experiment ergänzen sich oft perfekt, um diese Materialien zu verstehen. Eine der Neuerungen, die wir in dieser Arbeit rechnerisch anwenden, ist, dass wir die Elektrode in verschiedene Ladungszustände aufladen und beobachten, wie die Umgebung auf diese Ladung reagiert.“
Wir haben das getan, um zu erklären, was experimentell beobachtet wurde. Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie geht es auf dem Weg zu lithiumfreien Batterien voran.
Wir haben auf molekularer Ebene ein besseres Bild davon, warum manche Batterieelektroden besser funktionieren als andere, und das gibt uns klare Hinweise darauf, in welche Richtung wir bei der Materialentwicklung gehen müssen.“
Die Entdeckung großer Unterschiede in der Speicherkapazität wasserbasierter Batterien stellt einen Wendepunkt dar. Bald könnten wir lithiumfreie Batterien haben.
Quelle: Nature Materials
