Allgemeiner Haushaltszuckerschlüssel zur Beseitigung von Sicherheitsbedenken in wässrigen Zinkbatterien

Aufgrund ihrer geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit haben wässrige Zinkbatterien das Potenzial, eine wichtige Rolle in zukünftigen Energiespeichersystemen für Anwendungen wie Stromnetze zu spielen. Sicherheitsbedenken haben jedoch den Fortschritt dieser neuen Technologie verlangsamt.

In einer Studie vom 28. Juli, veröffentlicht in Nanoforschungstellten chinesische Forscher eine Lösung vor, bei der herkömmlicher Haushaltszucker chemisch modifiziert wird, um die Zinkionenumgebung zu stabilisieren und zukünftige Anwendungen zu sichern.

Von Elektroautos bis hin zu Wind- und Solarenergiesystemen – eine immer vielfältigere Palette stromhungriger Anwendungen erhöht weiterhin die Nachfrage nach großflächigen, kostengünstigen Energiespeichern. Wässrige Zinkbatterien (Zn) stiegen laut der Studie schnell an die Spitze als eine der vielversprechenderen Optionen, um die Nachfrage nachhaltig zu decken.

„Sie sind im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien mit brennbaren organischen Elektrolyten sehr sicher und kostengünstig“, sagte der Autor der Studie, Meinan Liu, außerordentlicher Professor für Nanotechnologie und Nanobionik an der University of Science and Technology of China. „Darüber hinaus bietet die Zn-Anode eine superhohe theoretische Kapazität, was diese Zn-Batterien für Anwendungen wie die zukünftige Speicherung von Netzenergie noch vielversprechender macht.“

Wenn jedoch die Zinkionenkonzentration (Zn2+) auf der Oberfläche der Anode auf null abfällt, beginnen Dendriten zu wachsen. Unkontrolliertes Zn-Dendritenwachstum verschlechtert die elektrochemische Leistung und stellt eine ernsthafte Bedrohung für den sicheren Betrieb dar.

„Diese Dendriten können den Separator durchdringen und einen Kurzschluss der Batterie verursachen“, sagte Liu.

Frühere Studien haben gezeigt, dass die Anpassung der Lösungsmittelumgebung (als „Solvatationsstruktur“ bezeichnet) die Mobilität von Zn2+ erhöhen kann, wenn das elektrische Feld das Wachstum von Dendriten erfolgreich unterdrückt. Das Problem war, dass diese vorherigen Anpassungen – wie die Einführung anderer Salze oder die Aufnahme von weniger Wassermolekülen – letztendlich auch zu einer Verringerung der Ionenleitfähigkeit des Systems führten.

Es gab eine grundlegende Verständnislücke zwischen der Solvatationsstruktur von Zn2+ und seiner Mobilität, die von Liu erklärt wurde. Dies war ein Schlüsselfaktor, der das Dendritenwachstum und die Stabilität der Zn-Anode beeinflusste.

Um diese Lücke zu schließen, versuchte ein kooperatives Forschungsteam aus mehreren chinesischen Institutionen einen neuen Weg: die Einführung von Haushaltszucker mit mehreren Hydroxylgruppen (ein Wasserstoff und ein Sauerstoff, die miteinander verbunden sind) in den Elektrolyten, um die Solvatationsstruktur von Zn2+ anzupassen.

Durch die Durchführung atomistischer Simulationen und Experimente bestätigte das Forschungsteam, dass die Saccharosemoleküle die Mobilität verbesserten und das Dendritenwachstum stoppten, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen. Tatsächlich bot diese Methode auch unerwartete Vorteile:

„Die Ergebnisse bestätigen, dass Saccharosemoleküle in der Solvathülle nicht nur die Mobilität verbessern und eine schnelle Zn2+-Kinetik gewährleisten, sondern auch die Zn-Anode vor Wasserkorrosion schützen und erfolgreich eine dendritenfreie Zn-Abscheidung und Unterdrückung von Nebenreaktionen erreichen“, sagte Liu.

Dies zeigt das große Potenzial der Verwendung dieser einfachen Saccharose-Modifikation für zukünftige Hochleistungs-Zink-Batterien und bringt das Forschungsfeld dem ultimativen Ziel, einer sicheren, grünen Hochleistungs-Zn-Batterie, einen Schritt näher.

„Hoffentlich könnte diese sichere, kostengünstige Zn-Batterie in der Energiespeicherung im Netz eingesetzt werden“, sagte Liu.

Diese Technik eignet sich auch für zusätzliche Variationen und Modifikationen: Zn-Kohlenstoff-Zellen liefern eine höhere Energiedichte und verbesserte Stabilität, was auf eine große potenzielle Anwendung von Saccharose-modifizierten Elektrolyten für zukünftige Zn-Batterien hindeutet.

In zukünftigen Studien werden die Forscher auch mögliche Anwendungsfälle und Hindernisse für wässrige Zinkbatterien in Betracht ziehen, insbesondere wie sie mit extremen Temperaturen umgehen könnten.

„Der wässrige Elektrolyt der Zn-Batterie wird bei niedriger Temperatur eingefroren, daher prüfen wir, wie wir den Einfluss der Temperatur auf die Batterieleistung angehen können“, sagte Liu.

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press