Neuartige Strategie für Zink-Ionen-Batterien für alle Klimazonen

"Diese Studie zeigt, wie leistungsfähig diese Batterien sind, sowohl in Bezug auf die Kapazität als auch auf ihre Fähigkeit, in einem breiten Temperaturbereich zu arbeiten"

19.06.2024

Laut einer in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlichten Studie hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. HU Linhua vom Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Hydrogel-Elektrolytformel entwickelt, bei der ClO₄^- Anionen und Polyacrylamidketten zur Verankerung von Wassermolekülen verwendet werden, während Glukosemoleküle bevorzugt die Zn²⁺-Solvatisierung regulieren.

Es wurden effektiv unterbrochene Wassercluster und eine verbesserte Wasserkovalenz realisiert, was zu einem erweiterten Spannungsstabilitätsfenster und einem stabilen Betrieb über einen breiten Temperaturbereich führte.

"Dies bedeutet, dass die wässrigen Zinkbatterien unter Berücksichtigung der Jahreszeiten und der Höhenlage stabil arbeiten können. Wichtig ist, dass der Mechanismus der Temperaturbeständigkeit in der Wasserumgebung, die Zn²⁺-Solvatisierung und die Zn/Elektrolyt-Grenzfläche systematisch analysiert wurden", so LI ZHAO Qian, ein Mitglied des Teams.

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Irreversible Elektrolyt-Phasenübergänge und eine beschleunigte parasitäre Reaktion bedrohen die Klimaanpassungsfähigkeit von wässrigen Zn-Ionen-Batterien erheblich. Die Wasseraktivität beeinflusst den Gefrierpunkt des Elektrolyten, das Spannungsstabilitätsfenster und das Verhalten der Zn-Abscheidung an der Grenzfläche. Aufgrund seiner Anti-Leck-Eigenschaft, der Stabilität der Polymerstruktur und zahlreicher Verankerungsstellen für freies Wasser verbessert das rationelle Design des Hydrogelelektrolyten die Klimaanpassungsfähigkeit der Batterie effizient.

In dieser Studie konstruieren die Forscher einen "kovalenzverstärkten" Hydrogelelektrolyten mit hervorragender Grenzflächenhaftung und starkem Feuchtigkeitsrückhaltevermögen. Durch Spektralanalyse und theoretische Berechnungen konnten sie eine geschwächte Wasseraktivität und eine regulierte Zn²⁺-Solvatisierung nachweisen, die den Gefrierpunkt des Elektrolyten hinauszögern, seine Fähigkeit zur Feuchtigkeitsspeicherung fördern und wasserinduzierte Nebenreaktionen verhindern.

COMSOL-Simulationen und morphologische Entwicklungen zeigen die verbesserten mechanischen Eigenschaften des Elektrolyten und die thermodynamisch stabile Zn-Grenzfläche. Diese Vorteile verhindern die Bildung von Dendriten und lösen das Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts, was den Batterien einen weiten Betriebsbereich von -40 bis 130°C verleiht.

"Wenn der Elektrolyt in Pouch-Batterien verwendet wird, zeigt er eine beeindruckende Kapazität von 254 mAh/g bei -30°C und 438,1 mAh/g bei Raumtemperatur. Das ist eine große Sache, denn die meisten früheren Batterien erreichten nicht mehr als 200 mAh/g bei -30°C oder 400 mAh/g bei Raumtemperatur. Diese Studie zeigt, wie leistungsfähig diese Batterien sind, sowohl in Bezug auf die Kapazität als auch auf ihre Fähigkeit, in einem breiten Temperaturbereich zu arbeiten", so Dr. LI.

Sie bauten auch die Zn//Zn- und Zn//Cu-Batterien zusammen, um die stabile Lebensdauer und die Reversibilität der Zn-Beschichtung/Abstreifung zu bewerten. Bei niedriger Stromdichte beträgt die Lebensdauer der Zn-Anode mehr als 2.000 Stunden und ist damit besser als die des flüssigen Elektrolyten. Selbst bei hoher Stromdichte kann die Batterie mit Glu/ZC/PAM mehr als 500 Stunden lang ununterbrochen arbeiten. Die Zn//Cu-Batterien können mehr als 800 Stunden lang ununterbrochen arbeiten und weisen eine hohe durchschnittliche Coulomb-Effizienz von 99,2 % auf, die mit früheren Hydrogelelektrolyten durchaus konkurrenzfähig ist.

In dieser Studie wird die Koordinationsstruktur moduliert und die thermodynamische Aktivität zwischen der Elektrolyt/Zn-Grenzfläche durch den Einsatz eines multifunktionalen Hydrogelelektrolyten maßgeschneidert, wodurch schädliche parasitäre Reaktionen degeneriert und der Betriebstemperaturbereich erweitert wird. Sie bietet eine sichere und hocheffiziente Strategie zur Realisierung von wässrigen Zink-Ionen-Geräten für alle Klimazonen.

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Originalveröffentlichung

Yifan Wang, Li'e Mo, Xianxi Zhang, Yingke Ren, Tingting Wei, Yi He, Yang Huang, Hong Zhang, Peng Tan, Zhaoqian Li, Jiang Zhou, Linhua Hu; "Regulating Water Activity for All‐Climate Aqueous Zinc‐Ion Batteries"; Advanced Energy Materials, 2024-6-12

https://www.chemie.de/news/1183740/neuartige-strategie-fuer-zink-ionen-batterien-fuer-alle-klimazonen.html