Forscher entschlüsseln die "Silikatmagie" für sicherere, billigere und effizientere Batterien

Xiaowei Teng leitet ein Team, das einen neuen Weg zur Nutzung von Eisen für Hochleistungs-Energiespeicher sucht

22.10.2024

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Die Welt stellt rasch auf erneuerbare Energien um, aber es gibt noch Unzulänglichkeiten. Die Sonnenenergie fällt nachts ab, und die Windenergie nimmt unregelmäßig ab und zu zu. Es müssen neue Technologien entwickelt werden, die Energie aus dem Stromnetz speichern können, wenn es einen Überschuss gibt, und sie einsetzen, wenn es nicht genug davon gibt.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien spielen im Alltag eine wichtige Rolle und versorgen Geräte von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen mit Energie. Sie sind jedoch auf begrenzte Ressourcen wie Lithium, Nickel und Kobalt angewiesen, was Bedenken hinsichtlich Nachhaltigkeit und Kosten aufwirft.

Xiaowei Teng, der James H. Manning Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, leitet ein Team, das neue Batterietechnologien für die Energiespeicherung im Netz erforscht. Die jüngsten Ergebnisse des Teams, die in der europäischen Fachzeitschrift ChemSusChem veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass Eisen, wenn es mit dem Elektrolytzusatz Silikat behandelt wird, eine leistungsstarke alkalische Batterieanode bilden könnte. Eisen, das nach Aluminium das zweithäufigste Metall in der Erdkruste ist, ist weitaus nachhaltiger als Nickel und Kobalt. Allein in den Vereinigten Staaten werden jedes Jahr über 40 Millionen Tonnen Eisen und Stahl aus Schrott recycelt.

Teng weist darauf hin, dass Eisen bereits als Anode für Alkalibatterien in Eisen-Nickel-Alkalibatterien verwendet wird - eine Erfindung von Thomas Edison aus dem Jahr 1900 -, die jedoch aufgrund der Bildung von Wasserstoffgas beim Laden und von inertem Eisenoxid beim Entladen eine geringe Energieeffizienz und Speicherkapazität aufweisen.

"Die Bildung von Wasserstoffgas beim Laden einer Batterie ist unerwünscht", so Teng. "Sie beeinträchtigt die Energieeffizienz des Batteriesystems erheblich. Wenn diese technischen Herausforderungen nicht angegangen werden, sind Eisen-Alkali-Batterien für moderne Energiespeichersysteme, die mit Stromnetzen gekoppelt werden sollen, weniger attraktiv."

In einem Artikel in der Zeitschrift ChemSusChem vom 7. Oktober berichtet das Team, dass es durch die Zugabe von Silikat zu den Elektrolyten möglich war, eine Batterie zu laden, ohne Wasserstoff zu erzeugen.

Silikat, eine chemische Verbindung aus Silizium und Sauerstoff, wird seit langem als kostengünstiges und einfaches Mittel in Glas, Zement, Isolierung und Reinigungsmitteln verwendet, so Sathya Jagadeesan, Doktorand am WPI und Hauptautor der Arbeit. Das Team entdeckte, dass Silikat auch eine starke Wechselwirkung mit Batterieelektroden eingeht und die Bildung von Wasserstoffgas unterdrückt. Laut Teng könnte dieses neue Verfahren die alkalische Eisen-Redox-Chemie in Eisen-Luft- und Eisen-Nickel-Batterien für Energiespeicheranwendungen, wie z. B. Mikronetze oder einzelne Solar- oder Windparks, verbessern.

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Originalveröffentlichung

Sathya Narayanan Jagadeesan, Fenghua Guo, Ranga Teja Pidathala, A. M. Milinda Abeykoon, Gihan Kwon, Daniel Olds, Badri Narayanan, Xiaowei Teng; "Unlocking High Capacity and Reversible Alkaline Iron Redox Using Silicate‐Sodium Hydroxide Hybrid Electrolytes"; ChemSusChem, 2024-8-9

https://www.chemie.de/news/1184705/forscher-entschluesseln-die-silikatmagie-fuer-sicherere-billigere-und-effizientere-batterien.html