Metallfreie Batterien wecken die Hoffnung auf nachhaltigere und wirtschaftlichere Energie
"Es ist jetzt möglich, hochenergetische nichtmetallische Ionenbatterien zu entwickeln, die mit Metall-Ionen-Batterien konkurrieren können"
Wiederaufladbare Batterien, die Ammoniumkationen als Ladungsträger verwenden, könnten einen umweltfreundlichen und nachhaltigen Ersatz für Batterien auf Metallionenbasis darstellen, wie Forscher der KAUST zeigen.
Illustration der von den Forschern der KAUST entwickelten hocheffizienten metallfreien Batterie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien kombiniert diese Batterie einen ammoniumkationenhaltigen Elektrolyten mit Elektroden auf Kohlenstoffbasis.
© 2022 KAUST; Heno Hwang
Metall-Ionen-Batterien, wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, sind die bevorzugte Energiespeicherlösung. Sie beherrschen den Markt für tragbare Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Vielseitigkeit. Die in den Elektrolyten verwendeten Metallionen stammen jedoch aus begrenzten und abnehmenden Ressourcen, was die langfristige Verfügbarkeit bedroht. Ihre Toxizität und Entflammbarkeit können unsicher und umweltschädlich sein.
Es gab mehrere Versuche, Batterien auf der Basis von Ammonium-Ionen zu entwickeln, um Nachhaltigkeits- und Umweltprobleme zu lösen, da diese Kationen leicht sind und sich einfach synthetisieren und recyceln lassen. Allerdings neigen Ammoniumkationen dazu, bei niedrigem Betriebspotenzial zu Wasserstoff und Ammoniak reduziert zu werden, wodurch die Batterien ihr volles Potenzial nicht entfalten können. Außerdem lösen sie sich leicht in Elektrolyten auf, so dass sie nur schwer in Elektrodenmaterialien integriert werden können.
Husam Alshareef, Postdoc Zhiming Zhao und Mitarbeiter entwickelten eine hocheffiziente metallfreie Batterie, indem sie einen ammoniumkationenhaltigen Elektrolyten mit Elektroden auf Kohlenstoffbasis kombinierten. Die Graphitkathode und die organische Halbleiteranode sind billig, umweltfreundlich und erneuerbar, sagt Zhao.
Bei den Ammoniumkationen wählten die Forscher Hexafluorophosphat-Ionen als negative Ladungsträger und nutzten die Fähigkeit von Graphit, diese Anionen reversibel in seinen Schichten aufzunehmen, um eine "Dual-Ionen"-Batterie zu schaffen. In der Batterie fügen sich Kationen und Anionen während der Ladezyklen gleichzeitig in die entsprechende Elektrode ein und werden während der Entladezyklen in den Elektrolyten abgegeben.
Dies unterscheidet unsere Arbeit von anderen Studien, sagt Zhao.
"Wir haben einen Elektrolyten entwickelt, der sowohl antioxidativ als auch antireduktiv ist, indem wir eine Reihe von Lösungsmitteln untersucht haben, die gegen Hochspannung resistent sind, und dabei auch ihre Reduktionsstabilität berücksichtigt haben", sagt Zhao.
Das antioxidative Lösungsmittel solvatisierte hauptsächlich Anionen, die an der Kathodenreaktion beteiligt waren, während sein antireduktives Gegenstück eine Solvatationssphäre um Kationen bildete, die an der Anodenreaktion beteiligt waren. "Diese Konfiguration ist entscheidend für die Stabilität der Batterie", erklärt Zhao.
Mit einer Rekord-Betriebsspannung von 2,75 Volt übertraf die Batterie die bisherigen ammoniumionenbasierten Analoga. "Es ist nun möglich, hochenergetische nichtmetallische Ionenbatterien zu entwickeln, die mit Metallionenbatterien konkurrieren können", sagt Zhao.
Das Team arbeitet derzeit daran, die Leistung zu verbessern, um einer großtechnischen Anwendung näher zu kommen. "Wir erforschen Anodenmaterialien mit höherer Kapazität, was für die Verbesserung der Energiedichte entscheidend ist", sagt Zhao.
Die Gruppe von Alshareef entwickelt kostengünstige Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für die Speicherung im Netzbereich. "Um das Netz vollständig zu dekarbonisieren, müssen die Batteriekosten deutlich sinken", sagt Alshareef. Die Ersetzung von Lithium durch nichtmetallische Ladungsträger wie Ammoniumionen kann dazu beitragen, diese Kosten zu senken.
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