Durchbruch bei wiederaufladbaren Batterien auf Zinkbasis: Eine sicherere, nachhaltige Alternative

Forscher der Case Western Reserve University entwickeln Zink-Schwefel-Batterietechnologie weiter

18.12.2024

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Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien treiben alles an, von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbaren Geräten. Neue Forschungsergebnisse der Case Western Reserve University deuten jedoch darauf hin, dass eine nachhaltigere und kostengünstigere Alternative in Batterien auf Zinkbasis liegen könnte.

In einer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde, kündigen die Forscher einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zur Entwicklung leistungsstarker und kostengünstiger Zink-Schwefel-Batterien an.

"Diese Forschungsarbeit stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung sicherer und nachhaltigerer Energiespeicherlösungen dar", sagte Chase Cao, einer der Hauptforscher und Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Case School of Engineering. "Wässrige Zink-Schwefel-Batterien bieten das Potenzial, eine breite Palette von Anwendungen - von erneuerbaren Energiesystemen bis hin zu tragbarer Elektronik - mit geringerer Umweltbelastung und geringerer Abhängigkeit von knappen Materialien zu betreiben.

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Lithium-Ionen-Batterien sind zwar weit verbreitet, aber teuer, benötigen relativ seltene Materialien und sind kompliziert in der Herstellung. Im Gegensatz dazu werden bei Zink-Schwefel-Batterien häufiger vorkommende und kostengünstigere Materialien verwendet und es bestehen weniger Umwelt- und Sicherheitsbedenken.

Allerdings haben Probleme wie die Korrosion der Zinkanode, die geringe Leitfähigkeit und das Dendritenwachstum ihre kommerzielle Verwendbarkeit bisher behindert.

Caos Team überwand diese Hindernisse durch die Einführung von zwei wichtigen Zusatzstoffen: Propylenglykolmethylether und Zinkiodid. Diese Technologie brachte mehrere entscheidende Verbesserungen mit sich: eine um 20 % erhöhte Energiekapazität, eine verbesserte Leitfähigkeit und Stabilität sowie eine Hemmung des Wachstums von Zinkdendriten.

Wenn die Dendriten die positive und die negative Seite der Batterie verbinden, kann es zu einem Kurzschluss und damit zu einem Brand kommen - ein weiteres großes Problem bei Lithium-Ionen-Batterien.

"Diese Additive verbessern nicht nur die Batterieleistung, sondern gehen auch auf seit langem bestehende Sicherheitsbedenken ein, indem sie die Dendritenbildung eindämmen", so Guiyin Xu, Professor an der Donghua-Universität in Shanghai und Mitautor. "Das Ergebnis ist eine kompakte Batterie mit höherer Dichte, die ohne nennenswerte Beeinträchtigung häufiger aufgeladen werden kann.

Die Auswirkungen dieses Durchbruchs gehen über Erschwinglichkeit und Sicherheit hinaus. Zink-Schwefel-Batterien haben eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, was kleinere und langlebigere Konstruktionen ermöglicht. Dies könnte für die Speicherung erneuerbarer Energien und für Geräte, bei denen es auf Zuverlässigkeit und Effizienz ankommt, von großer Bedeutung sein.

Caos Hauptinteresse an der Entwicklung besserer Batterien gilt der neuartigen Soft-Robotik und fortschrittlichen Sensorsystemen, die beide auf Batterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer angewiesen sind. So entwickelt er zum Beispiel biologisch inspirierte Schwimmroboter, deren Ausdauer von langlebigen, leichten Batterien abhängt, die lange Einsätze ohne Ausfall überstehen - der Roboter kann nicht mitten im Einsatz auslaufen oder nie wieder zurückkommen. Cao, der das Soft Machines and Electronics Laboratory an der CWRU leitet, entwickelt auch neue Technologien für die Erforschung des Weltraums und die Landwirtschaft sowie für die Beseitigung des allgegenwärtigen und gefährlichen Weltraummülls.

Die Forschungsarbeiten wurden auch in Zusammenarbeit mit Forschern der Fudan University in Shanghai und der Hong Kong University of Science and Technology durchgeführt.

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Originalveröffentlichung

Yinfeng Guo, Xiaoqing Zhu, Jia Zhang, Tao Zhang, Zilong Wang, Minghui Shan, Fei Wang, Changyong Chase Cao, Guiyin Xu, Meifang Zhu; "Engineering Electrolyte Network Structure for Improved Kinetics and Dendrite Suppression in Zn‐S Batteries"; Angewandte Chemie International Edition, 2024-12-9

https://www.chemie.de/news/1185176/durchbruch-bei-wiederaufladbaren-batterien-auf-zinkbasis-eine-sicherere-nachhaltige-alternative.html