Energiespeicherung mit wiederaufladbaren Batterietechnologien treibt unseren digitalen Lebensstil an und unterstützt die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz. Die Batteriefunktion unter kalten Bedingungen ist jedoch eine ständige Herausforderung, die Forscher dazu motiviert, die Leistung von Batterien bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Wässrige Batterien (in einer flüssigen Lösung) schneiden besser ab als nicht-wässrige Batterien in Bezug auf die Leistungsfähigkeit (ein Maß für die pro Zeiteinheit abgegebene Energie) bei niedrigen Temperaturen.
Neue Forschungsergebnisse von Ingenieuren der China University of Hong Kong, veröffentlicht am 17 Nano-Forschungsenergie schlägt optimale Gestaltungselemente von wässrigen Elektrolyten zur Verwendung in wässrigen Niedertemperaturbatterien vor. Die Forschung überprüft die physikalisch-chemischen Eigenschaften von wässrigen Elektrolyten basierend auf mehreren Metriken: Phasendiagramme, Ionendiffusionsraten und die Kinetik der Redoxreaktionen.
Die größten Herausforderungen für wässrige Niedertemperaturbatterien bestehen darin, dass die Elektrolyte gefrieren, die Ionen langsam diffundieren und die Redoxkinetik (Elektronenübertragungsprozesse) folglich träge ist. Diese Parameter stehen in engem Zusammenhang mit den physikalisch-chemischen Eigenschaften der in Batterien verwendeten wässrigen Niedrigtemperatur-Elektrolyten.
Um die Batterieleistung unter kalten Bedingungen zu verbessern, muss daher verstanden werden, wie die Elektrolyte auf Kälte reagieren (–50 oC bis –95 oC). Studienautor und außerordentlicher Professor Yi-Chun Lu sagt, dass „um leistungsstarke wässrige Niedertemperatur-Batterien (LT-ABs) zu erhalten, es wichtig ist, die temperaturabhängigen physikalisch-chemischen Eigenschaften von wässrigen Elektrolyten zu untersuchen, um das Design von wässrigen Niedertemperatur-Elektrolyten (LT -AEs).“
Bewertung wässriger Elektrolyte
Die Forscher verglichen verschiedene LT-AEs, die in Energiespeichertechnologien verwendet werden, darunter wässrige Li+/Na+/K+/H+/Zn2+-Batterien, Superkondensatoren und Flussbatterien. Die Studie trug Informationen aus vielen anderen Berichten über die Leistung verschiedener LT-AEs zusammen, zum Beispiel ein Frostschutz-Hydrogel-Elektrolyt für eine wässrige Zn/MnO2-Batterie; und ein auf Ethylenglycol (EG)-H2O basierender Hybridelektrolyt für eine Zn-Metallbatterie.
Die Studie untersuchte systematisch Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Phasendiagramme für diese gemeldeten LT-AEs, um ihre Gefrierschutzmechanismen zu verstehen. Die Phasendiagramme zeigten, wie sich die Elektrolytphase bei wechselnden Temperaturen ändert. Die Studie untersuchte auch die Leitfähigkeit in LT-AEs in Bezug auf Temperatur, Elektrolytkonzentration und Ladungsträger.
Studienautor Lu sagte voraus, dass „ideale Gefrierschutz-Elektrolyte nicht nur eine niedrige Gefriertemperatur aufweisen sollten Tm, sondern auch eine starke Unterkühlungsfähigkeit besitzen“, dh das flüssige Elektrolytmedium soll auch unterhalb des Gefrierpunkts flüssig bleiben und so einen Ionentransport bei ultratiefer Temperatur ermöglichen.
Die Autoren der Studie fanden heraus, dass die LT-AEs, die den Betrieb von Batterien bei ultraniedrigen Temperaturen ermöglichen, tatsächlich meistens niedrige Gefrierpunkte und starke Unterkühlungsfähigkeiten aufweisen. Ferner schlägt Lu vor, dass „die starke Unterkühlungsfähigkeit realisiert werden kann, indem die minimale Kristallisationszeit τ verbessert und der Verhältniswert der Glasübergangstemperatur und der Gefriertemperatur erhöht wird (Tg/Tm) von Elektrolyten.“
Die Ladungsleitfähigkeit der beschriebenen LT-AEs zur Verwendung in Batterien könnte verbessert werden, indem die für den Ionentransfer erforderliche Energiemenge gesenkt, die Elektrolytkonzentration angepasst und bestimmte Ladungsträger ausgewählt werden, die schnelle Redoxreaktionsraten fördern. Lu sagt, dass „die Diffusionsaktivierungsenergie gesenkt, die Elektrolytkonzentration optimiert, Ladungsträger mit niedrigem hydratisiertem Radius ausgewählt und ein konzertierter Diffusionsmechanismus entwickelt werden[s] wären wirksame Strategien zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit von LT-AEs.“
In Zukunft hoffen die Autoren, die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Elektrolyten weiter untersuchen zu können, die zu einer verbesserten Leistung wässriger Batterien bei niedrigen Temperaturen beitragen. „Wir möchten leistungsstarke wässrige Niedertemperaturbatterien (LT-ABs) entwickeln, indem wir wässrige Elektrolyte entwerfen, die eine niedrige Gefriertemperatur, eine starke Unterkühlungsfähigkeit, eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine schnelle Grenzflächen-Redoxkinetik aufweisen“, sagt Lu.
Yi-Chun Lu et al, Designstrategien für wässrige Niedertemperaturelektrolyte, Nano-Forschungsenergie (2022). DOI: 10.26599/NRE.2022.9120003
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press