30. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Der Übergang zu erneuerbarer Wind- und Solarenergie steht vor einem entscheidenden Hindernis, da es an erschwinglichen Möglichkeiten zur Energiespeicherung in großem Maßstab mangelt. Ohne kostengünstige Netzbatterien machen Fluktuations- und Intermittenzprobleme eine weit verbreitete Einführung einer nachhaltigen Energieerzeugung unpraktisch. Nach vielversprechenden Fortschritten bei der Senkung der Produktionskosten für Komponenten wie Solarpaneele und Windturbinen hat sich die Speichertechnologie als letzte noch zu nehmende Hürde herausgestellt. Trotz intensiver Forschung und Entwicklung führender Batterieunternehmen haben die vorherrschenden Lithium-Ionen-Chemikalien Schwierigkeiten, die für diese Anwendung erforderliche Kombination aus niedrigen Preisen, Sicherheit, Stabilität und hoher Zyklenlebensdauer zu erreichen. Das aufkommende Potenzial von Natriumionenbatterien hat die Bemühungen neu belebt, ihr Erfolg hängt jedoch von der Entwicklung geeigneter Elektroden ohne übermäßig seltene oder giftige Materialien ab. In einem Artikel veröffentlicht in Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Nachhaltige Materialien aus Tee“) beschreibt ein Team unter der Leitung von Dr. Aufbauend auf den jüngsten Fortschritten, die Natrium-Ionen-Batterien zu einer praktikablen und kostengünstigen Alternative zur vorherrschenden Lithium-Ionen-Technologie gemacht haben, weist die aus Biomasse gewonnene Anode der Forscher Eigenschaften auf, die die nächste Generation erschwinglicher und nachhaltiger Energiespeicher auf Netzebene ermöglichen könnten. Frühere Versuche mit Natrium-Ionen-Batterien erzielten zwar niedrige Kosten, litten aber in Leistungsbereichen wie Ladekapazität, Langlebigkeit und Laderaten zu stark, als dass sie die Lithium-Ionen-Vorherrschaft verdrängen könnten. Ein Großteil davon ist auf grundlegende chemische Herausforderungen zurückzuführen, da die größere Größe der Natriumionen die schnelle Bewegung innerhalb der Batteriekomponenten einschränkt. Der zentrale Fortschritt von Dr. Zhangs Teeblattanode liegt in der Art und Weise, wie sie diese inhärenten Einschränkungen ausgleicht. Durch einen unkomplizierten einstufigen Pyrolyseprozess wandeln die Forscher rohe Teeblattstiele in ein „hartes Kohlenstoff“-Material um, das für die Speicherung von Natriumionen optimiert ist. Im Vergleich zu bestehenden Anoden auf Kohlenstoffbasis liefert der aus Abfalltee gewonnene Hartkohlenstoff des Teams, genannt TS-1400-HCl, auf ganzer Linie wesentlich verbesserte Messwerte. Es bietet eine um 70 % höhere Anfangskapazität, eine um 91 % höhere Effizienz im allerersten Lade-/Entladezyklus und eine 7–9-mal längere Lebensdauer über 500 Zyklen. Entscheidend ist, dass TS-1400-HCl diese bahnbrechende Leistung nur unter Verwendung kostengünstiger Basiskomponenten über einen skalierbaren industriellen Prozess erreicht.
HRTEM-Bild von TS-1400-HCl. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Forscher führen die Fähigkeiten von TS-1400-HCl auf strukturelle Verbesserungen zurück, die durch die Vorläufer-Teeblattstiele und eine strategische Säurebehandlung ermöglicht werden. Seine natürlich poröse Biomassestruktur erleichtert das Eindringen von Elektrolyten und behält gleichzeitig zahlreiche Defekte und Hohlräume für die Natriumionenadsorption bei. Das Waschen mit Säure entfernt Verunreinigungen, die im Rohzustand zu einem Kapazitätsverlust führten. Dieser zweigleisige Ansatz führt zu einer optimierten Kohlenstoffanode, die größere Abstände zwischen graphitähnlichen Schichten, zahlreiche Adsorptionsstellen in Mikro- und Mesoporen und eine hervorragende strukturelle Robustheit bei wiederholten Aufladungen bietet. Durch spektroskopische Analyse bestätigte Dr. Zhangs Gruppe, dass die Natriumionenspeicherung von TS-1400-HCl über einen Oberflächenadsorptionsprozess erfolgt, der Poren und Defekte füllt, gefolgt von der Interkalation zwischen Graphitschichten tiefer in der Massenelektrode. Dieser duale Mechanismus, der die Stärken der maßgeschneiderten Biomasse-Hartkohlenstofftextur nutzt, nutzt das Material voll aus, um eine hohe Kapazität und elektrische Effizienz zu gewährleisten. Praxisnahe Machbarkeitstests einer vollständigen Natriumionen-Knopfzelle untermauerten die Eignung von TS-1400-HCl als Elektrode für die Massenproduktion weiter. Ohne die Anode auch nur vorzusodieren, um sie auf Stabilität vorzubereiten, ist Dr. Zhangs Teeblatt voller Zellen mit einem Na3V2(PO4)3 Die Kathode erreichte immer noch eine außergewöhnliche Langlebigkeit über 1000 Zyklen und eine mit kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähige Energiedichte. Solche Bereitschaftsnachweise ohne spezielle Vorverarbeitung unterstreichen die Machbarkeit und Kosteneffizienz von TS-1400-HCl. Die Forscher schätzen, dass die kostengünstige Säurebehandlung und das Glühen zur Herstellung ihrer Hartkohlenstoffanoden wettbewerbsfähige Preise von etwa 5 bis 7 US-Dollar pro kg im großen Maßstab ermöglichen würden. In Kombination mit der Fülle an rohen Teeblattressourcen – allein Chinas Jahresproduktion übersteigt 1 Milliarde kg – glaubt Dr. Zhangs Gruppe, dass ihr Biomasse-Ansatz ein großes Potenzial für echte Nachhaltigkeit und positive Auswirkungen auf die Umwelt als gängiges, erschwingliches Batteriematerial hat. Da die kontinuierliche Forschung zu komplementären Kathodenmaterialien auf Leistungsmaximierung statt auf Kostenreduzierung ausgerichtet ist, könnten Natriumionenbatterien mit integrierten Elektroden wie TS-1400-HCl bald die Masseneinführung groß angelegter Speicher- und Verteilungssysteme für saubere Energie ermöglichen. Durch die Umwandlung von Abfall in Watt rückt die Einführung billiger, langlebiger und umweltfreundlicher Netzbatterien einen Schritt näher.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
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